Força (quantidade física). força é o que é força: definição - filosofia.nes

1.Força- vetor quantidade física, que é uma medida da intensidade do impacto sobre um determinado corpo outros órgãos, bem como Campos Anexado a massivo força no corpo é a razão de sua mudança velocidade ou ocorrência nele deformações e tensões.

A força como uma grandeza vetorial é caracterizada módulo, direção E "ponto" da aplicação força. Pelo último parâmetro, o conceito de força como vetor na física difere do conceito de vetor na álgebra vetorial, onde vetores iguais em magnitude e direção, independente do ponto de sua aplicação, são considerados o mesmo vetor. Na física, esses vetores são chamados de vetores livres. Na mecânica, é extremamente comum a ideia de vetores acoplados, cujo início é fixado em um determinado ponto do espaço ou pode estar localizado em uma linha que continua a direção do vetor (vetores deslizantes).

O conceito também é usado linha de força, denotando a linha reta que passa pelo ponto de aplicação da força ao longo do qual a força é direcionada.

A segunda lei de Newton afirma que em sistemas de referência inerciais, a aceleração de um ponto material na direção coincide com a resultante de todas as forças aplicadas ao corpo, e em magnitude é diretamente proporcional à magnitude da força e inversamente proporcional à massa do corpo. ponto material. Ou, de forma equivalente, a taxa de variação do momento de um ponto material é igual à força aplicada.

Quando uma força é aplicada a um corpo de dimensões finitas, surgem nele tensões mecânicas, acompanhadas de deformações.

Do ponto de vista do Modelo Padrão da física de partículas, as interações fundamentais (gravitacionais, fracas, eletromagnéticas, fortes) são realizadas por meio da troca dos chamados bósons de calibre. Experimentos em física de altas energias realizados nas décadas de 70 a 80. Século XX confirmou a suposição de que as interações fracas e eletromagnéticas são manifestações da interação eletrofraca mais fundamental.

A dimensão da força é LMT −2, a unidade de medida no Sistema Internacional de Unidades (SI) é newton (N, N), no sistema GHS é dine.

2.Primeira lei de Newton.

A primeira lei de Newton afirma que existem referenciais nos quais os corpos mantêm um estado de repouso ou movimento retilíneo uniforme na ausência de ações de outros corpos sobre eles ou no caso de compensação mútua dessas influências. Esses sistemas de referência são chamados de inerciais. Newton propôs que todo objeto massivo possui uma certa reserva de inércia, que caracteriza o “estado natural” de movimento desse objeto. Esta ideia rejeita a visão de Aristóteles, que considerava o repouso o “estado natural” de um objeto. A primeira lei de Newton contradiz a física aristotélica, uma das disposições da qual é a afirmação de que um corpo pode se mover a uma velocidade constante apenas sob a influência de uma força. O fato de que na mecânica newtoniana, em referenciais inerciais, o repouso é fisicamente indistinguível do movimento retilíneo uniforme é a justificativa para o princípio da relatividade de Galileu. Entre um conjunto de corpos, é fundamentalmente impossível determinar quais deles estão “em movimento” e quais estão “em repouso”. Podemos falar sobre movimento apenas em relação a algum sistema de referência. As leis da mecânica são satisfeitas igualmente em todos os referenciais inerciais, ou seja, são todas mecanicamente equivalentes. Esta última decorre das chamadas transformações galileanas.

3. Segunda lei de Newton.

A segunda lei de Newton em sua formulação moderna soa assim: em um referencial inercial, a taxa de variação do momento de um ponto material é igual à soma vetorial de todas as forças que atuam neste ponto.

onde é o momento do ponto material, é a força total que atua no ponto material. A segunda lei de Newton afirma que a ação de forças desequilibradas leva a uma mudança no momento de um ponto material.

Por definição de momento:

onde está a massa, está a velocidade.

Na mecânica clássica, em velocidades muito inferiores à velocidade da luz, a massa de um ponto material é considerada inalterada, o que permite retirá-la do sinal diferencial nas seguintes condições:

Dada a definição da aceleração de um ponto, a segunda lei de Newton assume a forma:

É considerada "a segunda fórmula mais famosa da física", embora o próprio Newton nunca tenha escrito explicitamente sua segunda lei nesta forma. Pela primeira vez esta forma de lei pode ser encontrada nas obras de K. Maclaurin e L. Euler.

Como em qualquer referencial inercial a aceleração do corpo é a mesma e não muda ao passar de um referencial para outro, então a força é invariante em relação a tal transição.

Em todos os fenômenos naturais força, independentemente da sua origem, aparece apenas em um sentido mecânico, isto é, como causa da violação do movimento uniforme e retilíneo do corpo no sistema de coordenadas inerciais. A afirmação oposta, ou seja, estabelecer o fato de tal movimento, não indica a ausência de forças atuando sobre o corpo, mas apenas que as ações dessas forças são mutuamente equilibradas. Caso contrário: a soma vetorial deles é um vetor com módulo igual a zero. Esta é a base para medir a magnitude de uma força quando ela é compensada por uma força cuja magnitude é conhecida.

A segunda lei de Newton nos permite medir a magnitude de uma força. Por exemplo, o conhecimento da massa de um planeta e sua aceleração centrípeta ao se mover em órbita nos permite calcular a magnitude da força de atração gravitacional que atua sobre este planeta vinda do Sol.

4. Terceira lei de Newton.

Para quaisquer dois corpos (vamos chamá-los de corpo 1 e corpo 2), a terceira lei de Newton afirma que a força de ação do corpo 1 sobre o corpo 2 é acompanhada pelo aparecimento de uma força igual em magnitude, mas de direção oposta, agindo sobre corpo 1 do corpo 2. Matematicamente, a lei está escrita assim:

Esta lei significa que as forças sempre ocorrem em pares ação-reação. Se o corpo 1 e o corpo 2 estiverem no mesmo sistema, então a força total no sistema devido à interação desses corpos é zero:

Isto significa que não existem forças internas desequilibradas num sistema fechado. Isso leva ao fato de que o centro de massa de um sistema fechado (isto é, aquele que não sofre a ação de forças externas) não pode se mover com aceleração. Partes individuais do sistema podem acelerar, mas apenas de tal forma que o sistema como um todo permaneça em estado de repouso ou movimento linear uniforme. Porém, se forças externas atuarem sobre o sistema, seu centro de massa começará a se mover com aceleração proporcional à força resultante externa e inversamente proporcional à massa do sistema.

5.Gravidade.

Gravidade ( gravidade) - interação universal entre quaisquer tipos de matéria. No âmbito da mecânica clássica, é descrita pela lei da gravitação universal, formulada por Isaac Newton em sua obra “Princípios Matemáticos da Filosofia Natural”. Newton obteve a magnitude da aceleração com que a Lua se move em torno da Terra, assumindo em seu cálculo que a força da gravidade diminui na proporção inversa ao quadrado da distância do corpo gravitante. Além disso, também estabeleceu que a aceleração causada pela atração de um corpo por outro é proporcional ao produto das massas desses corpos. Com base nessas duas conclusões, a lei da gravitação foi formulada: quaisquer partículas materiais são atraídas umas pelas outras com uma força diretamente proporcional ao produto das massas ( e ) e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas:

Aqui está a constante gravitacional, cujo valor foi obtido pela primeira vez por Henry Cavendish em seus experimentos. Usando esta lei, você pode obter fórmulas para calcular a força gravitacional de corpos de formato arbitrário. A teoria da gravidade de Newton descreve bem o movimento dos planetas do sistema solar e de muitos outros corpos celestes. No entanto, baseia-se no conceito de ação de longo alcance, o que contradiz a teoria da relatividade. Portanto, a teoria clássica da gravidade não é aplicável para descrever o movimento de corpos que se movem a velocidades próximas à velocidade da luz, os campos gravitacionais de objetos extremamente massivos (por exemplo, buracos negros), bem como os campos gravitacionais variáveis ​​criados por corpos em movimento a grandes distâncias deles.

Uma teoria mais geral da gravidade é a teoria geral da relatividade de Albert Einstein. Nele, a gravidade não é caracterizada por uma força invariante independente do referencial. Em vez disso, o movimento livre de corpos em um campo gravitacional, percebido pelo observador como movimento ao longo de trajetórias curvas no espaço-tempo tridimensional com velocidade variável, é considerado como movimento inercial ao longo de uma linha geodésica em um espaço-tempo quadridimensional curvo. , em que o tempo flui de maneira diferente em pontos diferentes . Além disso, esta linha é, em certo sentido, “a mais direta” - é tal que o intervalo espaço-tempo (tempo próprio) entre duas posições espaço-temporais de um determinado corpo é máximo. A curvatura do espaço depende da massa dos corpos, bem como de todos os tipos de energia presentes no sistema.

6.Campo eletrostático (campo de cargas estacionárias).

O desenvolvimento da física depois de Newton adicionou às três grandezas principais (comprimento, massa, tempo) uma carga elétrica com dimensão C. Porém, com base nas exigências da prática, eles passaram a usar não uma unidade de carga, mas uma unidade de energia elétrica corrente como principal unidade de medida. Assim, no sistema SI, a unidade básica é o ampere, e a unidade de carga, o coulomb, é uma derivada dele.

Como a carga, como tal, não existe independentemente do corpo que a carrega, a interação elétrica dos corpos se manifesta na forma da mesma força considerada na mecânica, que serve como causa da aceleração. Em relação à interação eletrostática de duas cargas pontuais de magnitude e localizadas no vácuo, utiliza-se a lei de Coulomb. Na forma correspondente ao sistema SI, fica assim:

onde é a força com a qual a carga 1 atua sobre a carga 2, é o vetor direcionado da carga 1 para a carga 2 e é igual em magnitude à distância entre as cargas, e é a constante elétrica igual a ≈ 8,854187817 10 −12 F/m . Quando as cargas são colocadas em um meio homogêneo e isotrópico, a força de interação diminui por um fator de ε, onde ε é a constante dielétrica do meio.

A força é direcionada ao longo da linha que conecta as cargas pontuais. Graficamente, o campo eletrostático é geralmente representado como uma imagem de linhas de força, que são trajetórias imaginárias ao longo das quais uma partícula carregada sem massa se moveria. Essas linhas começam com uma carga e terminam com outra.

7.Campo eletromagnético (campo de corrente contínua).

A existência de um campo magnético foi reconhecida na Idade Média pelos chineses, que usaram a “pedra do amor” - um ímã, como protótipo de uma bússola magnética. Graficamente, um campo magnético é geralmente representado como linhas de força fechadas, cuja densidade (como no caso de um campo eletrostático) determina sua intensidade. Historicamente, uma forma visual de visualizar um campo magnético era com limalha de ferro espalhada, por exemplo, em um pedaço de papel colocado sobre um ímã.

Oersted estabeleceu que a corrente que flui através de um condutor provoca uma deflexão da agulha magnética.

Faraday chegou à conclusão de que um campo magnético é criado em torno de um condutor que transporta corrente.

Ampere apresentou uma hipótese, reconhecida na física, como modelo do processo de surgimento de um campo magnético, que consiste na existência nos materiais de correntes fechadas microscópicas, que juntas proporcionam o efeito do magnetismo natural ou induzido.

Ampere estabeleceu que em um referencial localizado no vácuo, em relação ao qual a carga está em movimento, ou seja, se comporta como uma corrente elétrica, surge um campo magnético, cuja intensidade é determinada pelo vetor de indução magnética situado em um plano localizado perpendicular à direção do movimento de carga.

A unidade de medida da indução magnética é tesla: 1 T = 1 T kg s −2 A −2
O problema foi resolvido quantitativamente por Ampere, que mediu a força de interação de dois condutores paralelos com correntes que fluem através deles. Um dos condutores criou um campo magnético ao seu redor, o segundo reagiu a esse campo aproximando-se ou afastando-se com uma força mensurável, sabendo qual e a magnitude da corrente foi possível determinar o módulo do vetor de indução magnética.

A interação de força entre cargas elétricas que não estão em movimento umas em relação às outras é descrita pela lei de Coulomb. No entanto, cargas em movimento umas em relação às outras criam campos magnéticos, através dos quais as correntes criadas pelo movimento das cargas geralmente entram em um estado de interação de forças.

A diferença fundamental entre a força que surge durante o movimento relativo das cargas e no caso de sua colocação estacionária é a diferença na geometria dessas forças. No caso da eletrostática, as forças de interação entre duas cargas são direcionadas ao longo da linha que as conecta. Portanto, a geometria do problema é bidimensional e a consideração é realizada em um plano que passa por esta reta.

No caso das correntes, a força que caracteriza o campo magnético criado pela corrente está localizada em um plano perpendicular à corrente. Portanto, a imagem do fenômeno torna-se tridimensional. O campo magnético criado por um elemento infinitamente pequeno da primeira corrente, interagindo com o mesmo elemento da segunda corrente, geralmente cria uma força agindo sobre ele. Além disso, para ambas as correntes este quadro é completamente simétrico no sentido de que a numeração das correntes é arbitrária.

A lei da interação das correntes é usada para padronizar a corrente elétrica contínua.

8. Forte interação.

A força forte é a interação fundamental de curto alcance entre hádrons e quarks. No núcleo atômico, a força forte mantém unidos prótons carregados positivamente (experimentando repulsão eletrostática) por meio da troca de mésons pi entre núcleons (prótons e nêutrons). Os mésons Pi têm uma vida útil muito curta; sua vida útil é suficiente apenas para fornecer forças nucleares dentro do raio do núcleo, razão pela qual as forças nucleares são chamadas de curto alcance. Um aumento no número de nêutrons “dilui” o núcleo, reduzindo as forças eletrostáticas e aumentando as nucleares, mas com um grande número de nêutrons, eles próprios, sendo férmions, passam a sofrer repulsão devido ao princípio de Pauli. Além disso, quando os núcleons se aproximam demais, começa uma troca de bósons W, causando repulsão, graças à qual os núcleos atômicos não “entram em colapso”.

Dentro dos próprios hádrons, a interação forte mantém unidos os quarks – as partes constituintes dos hádrons. Os quanta de campo forte são glúons. Cada quark tem uma das três cargas “cor”, cada glúon consiste em um par “cor”-“anticor”. Os glúons ligam os quarks nos chamados. “confinamento”, devido ao qual quarks livres não foram observados no experimento no momento. À medida que os quarks se afastam uns dos outros, a energia das ligações do glúon aumenta e não diminui como na interação nuclear. Ao gastar muita energia (ao colidir hádrons em um acelerador), você pode quebrar a ligação quark-glúon, mas ao mesmo tempo um jato de novos hádrons é liberado. No entanto, quarks livres podem existir no espaço: se algum quark conseguiu evitar o confinamento durante o Big Bang, então a probabilidade de se aniquilar com o antiquark correspondente ou de se transformar em um hádron incolor para tal quark é extremamente pequena.

9. Interação fraca.

A interação fraca é uma interação fundamental de curto alcance. Faixa 10 −18 m. Simétrico em relação à combinação de inversão espacial e conjugação de carga. Todos os elementos fundamentais estão envolvidos na interação fraca.férmions (léptons E quarks). Esta é a única interação que envolveneutrino(para não mencionar gravidade, insignificante em condições de laboratório), o que explica a colossal capacidade de penetração dessas partículas. A interação fraca permite que léptons, quarks e seusantipartículas intercâmbio energia, massa, carga elétrica E Números quânticos- isto é, transformem-se um no outro. Uma das manifestações édecaimento beta.

Existem várias leis que caracterizam os processos físicos durante os movimentos mecânicos dos corpos.

As seguintes leis básicas de forças na física são distinguidas:

• lei da gravidade;
• lei da gravitação universal;
• leis da força de atrito;
• lei da força elástica;
• Leis de Newton.

Lei da gravidade

Nota 1

A gravidade é uma das manifestações da ação das forças gravitacionais.

A gravidade é representada como uma força que atua sobre um corpo desde a lateral do planeta e lhe dá aceleração devido à gravidade.

A queda livre pode ser considerada na forma $mg = G\frac(mM)(r^2)$, da qual obtemos a fórmula para a aceleração da queda livre:

$g = G\frac(M)(r^2)$.

A fórmula para determinar a gravidade será semelhante a esta:

$(\overline(F))_g = m\overline(g)$

A gravidade tem um certo vetor de distribuição. Está sempre direcionado verticalmente para baixo, ou seja, em direção ao centro do planeta. O corpo está constantemente sujeito à gravidade e isso significa que está em queda livre.

A trajetória do movimento sob a influência da gravidade depende de:

• módulo da velocidade inicial do objeto;
• direção da velocidade do corpo.

Uma pessoa encontra esse fenômeno físico todos os dias.

A gravidade também pode ser representada pela fórmula $P = mg$. Ao acelerar devido à gravidade, quantidades adicionais também são levadas em consideração.

Se considerarmos a lei da gravitação universal, formulada por Isaac Newton, todos os corpos têm uma certa massa. Eles são atraídos um pelo outro com força. Será chamada de força gravitacional.

$F = G\frac(m_1m_2)(r^2)$

Esta força é diretamente proporcional ao produto das massas de dois corpos e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre eles.

$G = 6,7\cdot (10)^(-11)\ (H\cdot m^2)/((kg)^2\ )$, onde $G$ é a constante gravitacional e tem de acordo com o sistema internacional Valor constante das medições SI.

Definição 1

Peso é a força com a qual um corpo atua na superfície do planeta após a ocorrência da gravidade.

Nos casos em que o corpo está em repouso ou se move uniformemente ao longo de uma superfície horizontal, então o peso será igual à força de reação de suporte e coincidirá em valor com a magnitude da força da gravidade:

Com movimento vertical uniformemente acelerado, o peso será diferente da força da gravidade, com base no vetor de aceleração. Quando o vetor aceleração é direcionado na direção oposta, ocorre uma condição de sobrecarga. Nos casos em que o corpo e o suporte se movem com aceleração $a = g$, então o peso será igual a zero. Um estado de peso zero é chamado de ausência de peso.

A intensidade do campo gravitacional é calculada da seguinte forma:

$g = \frac(F)(m)$

A quantidade $F$ é a força gravitacional que atua sobre um ponto material de massa $m$.

O corpo é colocado em um determinado ponto do campo.

A energia potencial de interação gravitacional de dois pontos materiais com massas $m_1$ e $m_2$ deve estar a uma distância $r$ um do outro.

O potencial do campo gravitacional pode ser encontrado usando a fórmula:

$\varphi = \Pi /m$

Aqui $П$ é a energia potencial de um ponto material com massa $m$. Ele é colocado em um determinado ponto do campo.

Leis do atrito

Nota 2

A força de atrito surge durante o movimento e é direcionada contra o deslizamento do corpo.

A força de atrito estático será proporcional à reação normal. A força de atrito estático não depende da forma e tamanho das superfícies de atrito. O coeficiente de atrito estático depende do material dos corpos que entram em contato e geram a força de atrito. No entanto, as leis do atrito não podem ser chamadas de estáveis ​​​​e precisas, uma vez que vários desvios são frequentemente observados nos resultados da pesquisa.

A escrita tradicional da força de atrito envolve o uso do coeficiente de atrito ($\eta$), $N$ é a força de pressão normal.

Também se distinguem o atrito externo, a força de atrito de rolamento, a força de atrito deslizante, a força de atrito viscoso e outros tipos de atrito.

Lei da Força Elástica

A força elástica é igual à rigidez do corpo, que é multiplicada pela quantidade de deformação:

$F = k \cdot \Delta l$

Em nossa fórmula clássica de força para busca de força elástica, o lugar principal é ocupado pelos valores de rigidez corporal ($k$) e deformação corporal ($\Delta l$). A unidade de força é newton (N).

Uma fórmula semelhante pode descrever o caso mais simples de deformação. É comumente chamada de lei de Hooke. Afirma que ao tentar deformar um corpo de qualquer forma disponível, a força elástica tenderá a devolver a forma do objeto à sua forma original.

Para compreender e descrever com precisão um fenômeno físico, são introduzidos conceitos adicionais. O coeficiente de elasticidade mostra a dependência de:

• propriedades dos materiais;
• tamanhos de haste.

Em particular, distingue-se a dependência das dimensões da haste ou da área da seção transversal e do comprimento. Então o coeficiente de elasticidade do corpo é escrito na forma:

$k = \frac(ES)(L)$

Nesta fórmula, a quantidade $E$ é o módulo de elasticidade do primeiro tipo. Também é chamado de módulo de Young. Reflete as características mecânicas de um determinado material.

Ao realizar cálculos de barras retas, a lei de Hooke é escrita de forma relativa:

$\Delta l = \frac(FL)(ES)$

Nota-se que a aplicação da lei de Hooke será eficaz apenas para deformações relativamente pequenas. Se o nível do limite de proporcionalidade for excedido, a relação entre deformações e tensões torna-se não linear. Para alguns meios, a lei de Hooke não pode ser aplicada mesmo para pequenas deformações.

É necessário conhecer o ponto de aplicação e direção de cada força. É importante poder determinar quais forças atuam no corpo e em que direção. A força é denotada como, medida em Newtons. Para distinguir entre forças, elas são designadas da seguinte forma

Abaixo estão as principais forças que operam na natureza. É impossível inventar forças que não existem na resolução de problemas!

Existem muitas forças na natureza. Aqui consideramos as forças que são consideradas no curso de física escolar ao estudar dinâmica. Outras forças também são mencionadas, que serão discutidas em outras seções.

Gravidade

Cada corpo do planeta é afetado pela gravidade da Terra. A força com que a Terra atrai cada corpo é determinada pela fórmula

O ponto de aplicação está no centro de gravidade do corpo. Gravidade sempre direcionado verticalmente para baixo.

Força de fricção

Vamos nos familiarizar com a força de atrito. Essa força ocorre quando os corpos se movem e duas superfícies entram em contato. A força ocorre porque as superfícies, quando vistas ao microscópio, não são tão lisas quanto parecem. A força de atrito é determinada pela fórmula:

A força é aplicada no ponto de contato de duas superfícies. Direcionado na direção oposta ao movimento.

Força de reação do solo

Vamos imaginar um objeto muito pesado sobre uma mesa. A mesa dobra sob o peso do objeto. Mas, de acordo com a terceira lei de Newton, a mesa atua sobre o objeto exatamente com a mesma força que o objeto sobre a mesa. A força é direcionada de forma oposta à força com que o objeto pressiona a mesa. Isto é, para cima. Essa força é chamada de reação do solo. O nome da força “fala” suporte reage. Esta força ocorre sempre que há impacto no apoio. A natureza de sua ocorrência no nível molecular. O objeto parecia deformar a posição e as conexões usuais das moléculas (dentro da mesa), que, por sua vez, se esforçam para retornar ao seu estado original, “resistir”.

Absolutamente qualquer corpo, mesmo um muito leve (por exemplo, um lápis sobre uma mesa), deforma o suporte no nível micro. Portanto, ocorre uma reação fundamental.

Não existe uma fórmula especial para encontrar esta força. É denotada pela letra , mas esta força é simplesmente um tipo separado de força elástica, portanto também pode ser denotada como

A força é aplicada no ponto de contato do objeto com o suporte. Direcionado perpendicularmente ao suporte.

Como o corpo é representado como um ponto material, a força pode ser representada a partir do centro

Força elástica

Esta força surge como resultado da deformação (mudança no estado inicial da substância). Por exemplo, quando esticamos uma mola, aumentamos a distância entre as moléculas do material da mola. Quando comprimimos uma mola, nós a diminuímos. Quando torcemos ou mudamos. Em todos esses exemplos surge uma força que evita a deformação - a força elástica.

Lei de Hooke

A força elástica é direcionada opostamente à deformação.

Como o corpo é representado como um ponto material, a força pode ser representada a partir do centro

Ao conectar molas em série, por exemplo, a rigidez é calculada usando a fórmula

Quando conectados em paralelo, a rigidez

Rigidez da amostra. Módulo de Young.

O módulo de Young caracteriza as propriedades elásticas de uma substância. Este é um valor constante que depende apenas do material e do seu estado físico. Caracteriza a capacidade de um material resistir à deformação por tração ou compressão. O valor do módulo de Young é tabular.

Leia mais sobre propriedades dos sólidos.

Peso corporal

O peso corporal é a força com a qual um objeto atua sobre um suporte. Você diz, esta é a força da gravidade! A confusão ocorre da seguinte forma: de fato, muitas vezes o peso de um corpo é igual à força da gravidade, mas essas forças são completamente diferentes. A gravidade é uma força que surge como resultado da interação com a Terra. O peso é o resultado da interação com o suporte. A força da gravidade é aplicada no centro de gravidade do objeto, enquanto o peso é a força aplicada ao suporte (não ao objeto)!

Não existe uma fórmula para determinar o peso. Esta força é designada pela letra.

A força de reação de apoio ou força elástica surge em resposta ao impacto de um objeto na suspensão ou suporte, portanto o peso do corpo é sempre numericamente igual à força elástica, mas tem direção oposta.

A força de reação de apoio e o peso são forças da mesma natureza; de acordo com a 3ª lei de Newton, elas são iguais e dirigidas de forma oposta. O peso é uma força que atua no suporte e não no corpo. A força da gravidade atua sobre o corpo.

O peso corporal pode não ser igual à gravidade. Pode ser mais ou menos, ou pode ser que o peso seja zero. Esta condição é chamada ausência de peso. A ausência de peso é um estado em que um objeto não interage com um suporte, por exemplo, o estado de vôo: há gravidade, mas o peso é zero!

É possível determinar a direção da aceleração se você determinar para onde a força resultante é direcionada

Observe que peso é força, medida em Newtons. Como responder corretamente à pergunta: “Quanto você pesa”? Respondemos 50kg, não nomeando nosso peso, mas sim nossa massa! Neste exemplo, nosso peso é igual à gravidade, ou seja, aproximadamente 500N!

Sobrecarga- relação entre peso e gravidade

Força de Arquimedes

A força surge como resultado da interação de um corpo com um líquido (gás), quando ele está imerso em um líquido (ou gás). Essa força empurra o corpo para fora da água (gás). Portanto, é direcionado verticalmente para cima (empurra). Determinado pela fórmula:

No ar negligenciamos o poder de Arquimedes.

Se a força de Arquimedes for igual à força da gravidade, o corpo flutua. Se a força de Arquimedes for maior, ela sobe até a superfície do líquido; se for menor, ela afunda.

Forças elétricas

Existem forças de origem elétrica. Ocorre na presença de uma carga elétrica. Essas forças, como a força de Coulomb, a força de Ampere e a força de Lorentz, são discutidas em detalhes na seção Eletricidade.

Designação esquemática de forças que atuam em um corpo

Freqüentemente, um corpo é modelado como um ponto material. Portanto, nos diagramas, vários pontos de aplicação são transferidos para um ponto - para o centro, e o corpo é representado esquematicamente como um círculo ou retângulo.

Para designar corretamente as forças, é necessário listar todos os corpos com os quais interage o corpo em estudo. Determine o que acontece como resultado da interação com cada um: atrito, deformação, atração ou talvez repulsão. Determine o tipo de força e indique corretamente a direção. Atenção! A quantidade de forças coincidirá com o número de corpos com os quais ocorre a interação.

A principal coisa a lembrar

1) Forças e sua natureza;
2) Direção das forças;
3) Ser capaz de identificar as forças atuantes

Existem atritos externos (secos) e internos (viscosos). O atrito externo ocorre entre superfícies sólidas em contato, o atrito interno ocorre entre camadas de líquido ou gás durante seu movimento relativo. Existem três tipos de atrito externo: atrito estático, atrito de deslizamento e atrito de rolamento.

O atrito de rolamento é determinado pela fórmula

A força de resistência ocorre quando um corpo se move em um líquido ou gás. A magnitude da força de resistência depende do tamanho e forma do corpo, da velocidade de seu movimento e das propriedades do líquido ou gás. Em baixas velocidades de movimento, a força de arrasto é proporcional à velocidade do corpo

Em altas velocidades é proporcional ao quadrado da velocidade

Vamos considerar a atração mútua de um objeto e da Terra. Entre eles, de acordo com a lei da gravidade, surge uma força

Agora vamos comparar a lei da gravidade e a força da gravidade

A magnitude da aceleração da gravidade depende da massa da Terra e do seu raio! Assim, é possível calcular com que aceleração cairão os objetos da Lua ou de qualquer outro planeta, utilizando a massa e o raio desse planeta.

A distância do centro da Terra aos pólos é menor que ao equador. Portanto, a aceleração da gravidade no equador é ligeiramente menor do que nos pólos. Ao mesmo tempo, deve-se notar que a principal razão para a dependência da aceleração da gravidade da latitude da área é o fato da rotação da Terra em torno de seu eixo.

À medida que nos afastamos da superfície da Terra, a força da gravidade e a aceleração da gravidade mudam na proporção inversa ao quadrado da distância ao centro da Terra.

DEFINIÇÃO

Forçaé uma grandeza vetorial que é uma medida da ação de outros corpos ou campos sobre um determinado corpo, como resultado da qual ocorre uma mudança no estado desse corpo. Neste caso, uma mudança de estado significa uma mudança ou deformação.

O conceito de força refere-se a dois corpos. Você sempre pode indicar o corpo sobre o qual a força atua e o corpo a partir do qual ela atua.

A força é caracterizada por:

• módulo;
• direção;
• ponto de aplicação.

A magnitude e a direção da força são independentes da escolha.

A unidade de força no sistema C é 1 Newton.

Na natureza, não existem corpos materiais que estejam fora da influência de outros corpos e, portanto, todos os corpos estão sob a influência de forças externas ou internas.

Várias forças podem atuar sobre um corpo ao mesmo tempo. Neste caso, vale o princípio da independência de ação: a ação de cada força não depende da presença ou ausência de outras forças; a ação combinada de várias forças é igual à soma das ações independentes das forças individuais.

Força resultante

Para descrever o movimento de um corpo, neste caso, é utilizado o conceito de força resultante.

DEFINIÇÃO

Força resultanteé uma força cuja ação substitui a ação de todas as forças aplicadas ao corpo. Ou, em outras palavras, a resultante de todas as forças aplicadas ao corpo é igual à soma vetorial dessas forças (Fig. 1).

Figura 1. Determinação das forças resultantes

Como o movimento de um corpo é sempre considerado em algum sistema de coordenadas, é conveniente considerar não a força em si, mas suas projeções nos eixos de coordenadas (Fig. 2, a). Dependendo da direção da força, suas projeções podem ser positivas (Fig. 2, b) ou negativas (Fig. 2, c).

Figura 2. Projeções de força nos eixos coordenados: a) em um plano; b) em linha reta (a projeção é positiva);
c) em linha reta (a projeção é negativa)

Figura 3. Exemplos que ilustram a adição vetorial de forças

Muitas vezes vemos exemplos que ilustram a adição vetorial de forças: uma lâmpada está pendurada em dois cabos (Fig. 3, a) - neste caso, o equilíbrio é alcançado devido ao fato de que a resultante das forças de tensão é compensada pelo peso do lâmpada; o bloco desliza ao longo de um plano inclinado (Fig. 3, b) - o movimento ocorre devido às forças resultantes de atrito, gravidade e reação de apoio. Frases famosas da fábula de I.A. Krylov “e o carrinho ainda está lá!” - também uma ilustração da igualdade da resultante de três forças a zero (Fig. 3, c).

Exemplos de resolução de problemas

EXEMPLO 1

Se um corpo acelera, algo age sobre ele. Como encontrar esse “algo”? Por exemplo, que tipo de forças atuam sobre um corpo próximo à superfície da Terra? Esta é a força da gravidade dirigida verticalmente para baixo, proporcional à massa do corpo e para alturas muito menores que o raio da terra $(\large R)$, quase independente da altura; é igual

$(\large F = \dfrac (G \cdot m \cdot M)(R^2) = m \cdot g )$

$(\grande g = \dfrac (G \cdot M)(R^2) )$

assim chamado aceleração devido à gravidade. Na direção horizontal o corpo se moverá com velocidade constante, mas o movimento na direção vertical está de acordo com a segunda lei de Newton:

$(\large m \cdot g = m \cdot \left (\dfrac (d^2 \cdot x)(d \cdot t^2) \right) )$

após contrair $(\large m)$, descobrimos que a aceleração na direção $(\large x)$ é constante e igual a $(\large g)$. Este é o movimento bem conhecido de um corpo em queda livre, que é descrito pelas equações

$(\grande v_x = v_0 + g \cdot t)$

$(\large x = x_0 + x_0 \cdot t + \dfrac (1)(2) \cdot g \cdot t^2)$

Como a força é medida?

Em todos os livros didáticos e livros inteligentes, é costume expressar a força em Newtons, mas exceto nos modelos que os físicos operam, os Newtons não são usados ​​em lugar nenhum. Isso é extremamente inconveniente.

Newton newton (N) é uma unidade de força derivada no Sistema Internacional de Unidades (SI).
Com base na segunda lei de Newton, a unidade newton é definida como a força que altera a velocidade de um corpo pesando um quilograma em 1 metro por segundo em um segundo na direção da força.

Assim, 1 N = 1 kg m/s².

Quilograma-força (kgf ou kg) é uma unidade métrica gravitacional de força igual à força que atua sobre um corpo pesando um quilograma no campo gravitacional da Terra. Portanto, por definição, um quilograma-força é igual a 9,80665 N. Um quilograma-força é conveniente porque seu valor é igual ao peso de um corpo pesando 1 kg.
1 kgf = 9,80665 newtons (aproximadamente ≈ 10 N)
1 N ≈ 0,10197162 kgf ≈ 0,1 kgf

1N = 1kg x 1m/s2.

Lei da gravitação

Cada objeto no Universo é atraído por todos os outros objetos com uma força proporcional às suas massas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre eles.

$(\grande F = G \cdot \dfrac (m \cdot M)(R^2))$

Podemos acrescentar que qualquer corpo reage a uma força que lhe é aplicada com aceleração na direção dessa força, em magnitude inversamente proporcional à massa do corpo.

$(\large G)$ — constante gravitacional

$(\large M)$ — massa da terra

$(\large R)$ — raio da terra

$(\large G = 6,67 \cdot (10^(-11)) \left (\dfrac (m^3)(kg \cdot (seg)^2) \right) )$

$(\large M = 5,97 \cdot (10^(24)) \left (kg \right) )$

$(\grande R = 6,37 \cdot (10^(6)) \esquerda (m \direita) )$

No âmbito da mecânica clássica, a interação gravitacional é descrita pela lei da gravitação universal de Newton, segundo a qual a força de atração gravitacional entre dois corpos de massa $(\large m_1)$ e $(\large m_2)$ separados por uma distância $(\grande R)$ é

$(\grande F = -G \cdot \dfrac (m_1 \cdot m_2)(R^2))$

Aqui $(\large G)$ é a constante gravitacional igual a $(\large 6.673 \cdot (10^(-11)) m^3 / \left (kg \cdot (sec)^2 \right) )$. O sinal negativo significa que a força que atua no corpo de teste é sempre direcionada ao longo do vetor raio do corpo de teste até a fonte do campo gravitacional, ou seja, a interação gravitacional sempre leva à atração de corpos.
O campo gravitacional é potencial. Isso significa que é possível introduzir a energia potencial de atração gravitacional de um par de corpos, e essa energia não mudará após mover os corpos ao longo de um circuito fechado. A potencialidade do campo gravitacional acarreta a lei da conservação da soma das energias cinética e potencial, que, ao estudar o movimento dos corpos em um campo gravitacional, muitas vezes simplifica significativamente a solução.
No âmbito da mecânica newtoniana, a interação gravitacional é de longo alcance. Isso significa que não importa como um corpo massivo se mova, em qualquer ponto do espaço o potencial gravitacional e a força dependem apenas da posição do corpo em um determinado momento no tempo.

Mais pesado - mais leve

O peso de um corpo $(\large P)$ é expresso pelo produto de sua massa $(\large m)$ e a aceleração da gravidade $(\large g)$.

$(\grande P = m \cdot g)$

Quando na terra o corpo fica mais leve (pressiona menos a balança), isso se deve a uma diminuição massas. Na Lua tudo é diferente; a diminuição do peso é causada pela mudança de outro fator - $(\large g)$, já que a aceleração da gravidade na superfície da Lua é seis vezes menor que na Terra.

massa da terra = $(\large 5.9736 \cdot (10^(24))\ kg )$

massa da lua = $(\large 7,3477 \cdot (10^(22))\ kg )$

aceleração da gravidade na Terra = $(\large 9,81\ m / c^2 )$

aceleração gravitacional na Lua = $(\large 1,62 \ m / c^2 )$

Como resultado, o produto $(\large m \cdot g )$ e, portanto, o peso, diminui 6 vezes.

Mas é impossível descrever ambos os fenómenos com a mesma expressão “facilitar”. Na Lua, os corpos não ficam mais leves, apenas caem menos rapidamente; são “menos epilépticos”))).

Quantidades vetoriais e escalares

Uma grandeza vetorial (por exemplo, uma força aplicada a um corpo), além de seu valor (módulo), também é caracterizada pela direção. Uma quantidade escalar (por exemplo, comprimento) é caracterizada apenas pelo seu valor. Todas as leis clássicas da mecânica são formuladas para quantidades vetoriais.

Imagem 1.

Na Fig. A Figura 1 mostra várias opções para a localização do vetor $( \large \overrightarrow(F))$ e suas projeções $( \large F_x)$ e $( \large F_y)$ no eixo $( \large X)$ e $( \large Y )$ respectivamente:

• A. as quantidades $( \large F_x)$ e $( \large F_y)$ são diferentes de zero e positivas
• B. as quantidades $( \large F_x)$ e $( \large F_y)$ são diferentes de zero, enquanto $(\large F_y)$ é uma quantidade positiva e $(\large F_x)$ é negativa, porque o vetor $(\large \overrightarrow(F))$ é direcionado na direção oposta à direção do eixo $(\large X)$
• C.$(\large F_y)$ é uma quantidade positiva diferente de zero, $(\large F_x)$ é igual a zero, porque o vetor $(\large \overrightarrow(F))$ é direcionado perpendicularmente ao eixo $(\large X)$

Momento de poder

Um momento de poder é chamado de produto vetorial do vetor raio traçado do eixo de rotação até o ponto de aplicação da força e o vetor dessa força. Aqueles. De acordo com a definição clássica, o momento da força é uma grandeza vetorial. No âmbito do nosso problema, esta definição pode ser simplificada para o seguinte: o momento da força $(\large \overrightarrow(F))$ aplicado a um ponto com coordenada $(\large x_F)$, em relação ao eixo localizado no ponto $(\large x_0 )$ é uma quantidade escalar igual ao produto do módulo de força $(\large \overrightarrow(F))$ e o braço de força - $(\large \left | x_F - x_0 \right | )$. E o sinal dessa grandeza escalar depende da direção da força: se ela girar o objeto no sentido horário, então o sinal é positivo, se for anti-horário, então o sinal é negativo.

É importante entender que podemos escolher o eixo arbitrariamente - se o corpo não girar, então a soma dos momentos das forças em torno de qualquer eixo é zero. A segunda observação importante é que se uma força for aplicada a um ponto por onde passa um eixo, então o momento dessa força em relação a esse eixo será igual a zero (já que o braço da força será igual a zero).

Vamos ilustrar o que foi dito acima com um exemplo na Fig. Suponhamos que o sistema mostrado na Fig. 2 está em equilíbrio. Considere o suporte sobre o qual as cargas estão apoiadas. É atuado por 3 forças: $(\large \overrightarrow(N_1),\ \overrightarrow(N_2),\ \overrightarrow(N),)$ pontos de aplicação dessas forças A, EM E COM respectivamente. A figura também contém forças $(\large \overrightarrow(N_(1)^(gr)),\ \overrightarrow(N_2^(gr)))$. Essas forças são aplicadas às cargas e de acordo com a 3ª lei de Newton

$(\large \overrightarrow(N_(1)) = - \overrightarrow(N_(1)^(gr)))$

$(\large \overrightarrow(N_(2)) = - \overrightarrow(N_(2)^(gr)))$

Agora considere a condição de igualdade dos momentos das forças que atuam no apoio em relação ao eixo que passa pelo ponto A(e, como concordamos anteriormente, perpendicular ao plano de desenho):

$(\large N \cdot l_1 - N_2 \cdot \left (l_1 +l_2 \right) = 0)$

Observe que o momento da força $(\large \overrightarrow(N_1))$ não foi incluído na equação, pois o braço desta força em relação ao eixo em questão é igual a $(\large 0)$. Se por algum motivo quisermos selecionar um eixo que passa pelo ponto COM, então a condição para igualdade de momentos de forças ficará assim:

$(\grande N_1 \cdot l_1 - N_2 \cdot l_2 = 0)$

Pode-se mostrar que, do ponto de vista matemático, as duas últimas equações são equivalentes.

Centro de gravidade

Centro de gravidade em um sistema mecânico é o ponto em relação ao qual o momento total da gravidade atuando no sistema é igual a zero.

Centro de massa

O ponto do centro de massa é notável porque se muitas forças atuam sobre as partículas que formam um corpo (não importa se é sólido ou líquido, um aglomerado de estrelas ou qualquer outra coisa) (ou seja, apenas forças externas, uma vez que todas as forças internas as forças se compensam), então o resultante a força leva a uma aceleração deste ponto como se toda a massa do corpo $(\large m)$ estivesse nele.

A posição do centro de massa é determinada pela equação:

$(\large R_(c.m.) = \frac(\sum m_i\, r_i)(\sum m_i))$

Esta é uma equação vetorial, ou seja, na verdade, três equações – uma para cada uma das três direções. Mas considere apenas a direção $(\large x)$. O que significa a seguinte igualdade?

$(\large X_(c.m.) = \frac(\sum m_i\, x_i)(\sum m_i))$

Suponha que o corpo seja dividido em pequenos pedaços com a mesma massa $(\large m)$, e a massa total do corpo será igual ao número de tais pedaços $(\large N)$ multiplicado pela massa de uma peça , por exemplo 1 grama. Então esta equação significa que você precisa pegar as coordenadas $(\large x)$ de todas as peças, somá-las e dividir o resultado pelo número de peças. Em outras palavras, se as massas das peças forem iguais, então $(\large X_(c.m.))$ será simplesmente a média aritmética das coordenadas $(\large x)$ de todas as peças.

Massa e densidade

A massa é uma quantidade física fundamental. A massa caracteriza várias propriedades do corpo ao mesmo tempo e por si só possui uma série de propriedades importantes.

• A massa serve como medida da substância contida em um corpo.
• Massa é uma medida da inércia de um corpo. A inércia é a propriedade de um corpo de manter sua velocidade inalterada (no referencial inercial) quando as influências externas estão ausentes ou se compensam. Na presença de influências externas, a inércia de um corpo se manifesta no fato de que sua velocidade não muda instantaneamente, mas gradualmente, e quanto mais lentamente, maior será a inércia (ou seja, massa) do corpo. Por exemplo, se uma bola de bilhar e um ônibus se movem na mesma velocidade e são freados pela mesma força, leva muito menos tempo para parar a bola do que para parar o ônibus.
• As massas dos corpos são a razão de sua atração gravitacional entre si (veja a seção “Gravidade”).
• A massa de um corpo é igual à soma das massas de suas partes. Esta é a chamada aditividade de massa. A aditividade permite usar um padrão de 1 kg para medir a massa.
• A massa de um sistema isolado de corpos não muda com o tempo (lei da conservação da massa).
• A massa de um corpo não depende da velocidade do seu movimento. A massa não muda ao passar de um referencial para outro.
• Densidade de um corpo homogêneo é a razão entre a massa do corpo e seu volume:

$(\grande p = \dfrac (m)(V) )$

A densidade não depende das propriedades geométricas do corpo (forma, volume) e é uma característica da substância do corpo. As densidades de diversas substâncias são apresentadas em tabelas de referência. É aconselhável lembrar a densidade da água: 1000 kg/m3.

Segunda e terceira leis de Newton

A interação dos corpos pode ser descrita usando o conceito de força. Força é uma grandeza vetorial, que é uma medida da influência de um corpo sobre outro.
Por ser um vetor, a força é caracterizada por seu módulo (valor absoluto) e direção no espaço. Além disso, o ponto de aplicação da força é importante: a mesma força em magnitude e direção, aplicada em diferentes pontos do corpo, pode ter efeitos diferentes. Portanto, se você agarrar o aro de uma roda de bicicleta e puxar tangencialmente ao aro, a roda começará a girar. Se você puxar ao longo do raio, não haverá rotação.

Segunda lei de Newton

O produto da massa corporal e do vetor aceleração é a resultante de todas as forças aplicadas ao corpo:

$(\grande m \cdot \overrightarrow(a) = \overrightarrow(F) )$

A segunda lei de Newton relaciona os vetores aceleração e força. Isso significa que as seguintes afirmações são verdadeiras.

1. $(\large m \cdot a = F)$, onde $(\large a)$ é o módulo de aceleração, $(\large F)$ é o módulo de força resultante.
2. O vetor aceleração tem a mesma direção do vetor força resultante, pois a massa do corpo é positiva.

Terceira lei de Newton

Dois corpos agem um sobre o outro com forças iguais em intensidade e direções opostas. Essas forças têm a mesma natureza física e são direcionadas ao longo de uma linha reta que liga seus pontos de aplicação.

Princípio da superposição

A experiência mostra que se vários outros corpos atuam sobre um determinado corpo, então as forças correspondentes se somam como vetores. Mais precisamente, o princípio da superposição é válido.
O princípio da superposição de forças. Deixe as forças agirem sobre o corpo$(\large \overrightarrow(F_1), \overrightarrow(F_2),\ \ldots \overrightarrow(F_n))$ Se você substituí-los por uma força$(\grande \overrightarrow(F) = \overrightarrow(F_1) + \overrightarrow(F_2) \ldots + \overrightarrow(F_n))$ , então o resultado do impacto não mudará.
A força $(\large \overrightarrow(F))$ é chamada resultante forças $(\large \overrightarrow(F_1), \overrightarrow(F_2),\ \ldots \overrightarrow(F_n))$ ou resultanteà força.

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