Žodis „galia“yra toks visa apimantis, kad suteikti jam aiškią sąvoką yra beveik neįmanoma užduotis. Įvairovė nuo raumenų jėgos iki proto jėgos neapima visų į tai investuotų sąvokų. Jėga, laikoma fiziniu dydžiu, turi aiškiai apibrėžtą reikšmę ir apibrėžimą. Jėgos formulė apibrėžia matematinį modelį: jėgos priklausomybę nuo pagrindinių parametrų.
Jėgos tyrimo istorija apima priklausomybės nuo parametrų apibrėžimą ir eksperimentinį priklausomybės įrodymą.
Fizikos galia
Jėga yra kūnų sąveikos matas. Abipusis kūnų veikimas vienas kitam visiškai apibūdina procesus, susijusius su kūnų greičio pasikeitimu arba deformacija.
Kaip fizikinis dydis, jėga turi matavimo vienetą (SI sistemoje – Niutonas) ir prietaisą jai matuoti – dinamometrą. Jėgos matuoklio veikimo principas pagrįstas kūną veikiančios jėgos palyginimu su dinamometro spyruoklės jėga.
1 niutono jėga laikoma jėga, kuriai veikiant 1 kg masės kūnas keičia savo greitį 1 m per 1 sekundę.
Jėga kaip vektorinis dydis yra apibrėžtas:
- veiksmo kryptis;
- taikymo taškas;
- modulis, absoliutusdydis.
Apibūdindami sąveiką, būtinai nurodykite šiuos parametrus.
Natūralios sąveikos rūšys: gravitacinė, elektromagnetinė, stipri, silpna. Gravitacinės jėgos (visuotinės gravitacijos jėga su jos įvairove – gravitacijos jėga) egzistuoja dėl bet kurį masę turinčio kūno supančių gravitacinių laukų įtakos. Gravitacinių laukų tyrimas iki šiol nebaigtas. Kol kas neįmanoma rasti lauko š altinio.
Dėl atomų, sudarančių materiją, elektromagnetinės sąveikos atsiranda didesnis jėgų diapazonas.
Slėgio jėga
Kai kūnas sąveikauja su Žeme, jis daro spaudimą paviršiui. Slėgio jėga, kurios formulė yra: P=mg, nustatoma pagal kūno masę (m). Gravitacijos pagreitis (g) turi skirtingas reikšmes įvairiose Žemės platumose.
Vertikalaus slėgio jėga yra lygi absoliučia verte ir priešinga kryptimi atramos atsirandančiai elastingumo jėgai. Jėgos formulė keičiasi priklausomai nuo kūno judėjimo.
Kūno svorio pokytis
Kūno poveikis atramai dėl sąveikos su Žeme dažnai vadinamas kūno svoriu. Įdomu tai, kad kūno svorio dydis priklauso nuo judėjimo pagreičio vertikalia kryptimi. Tuo atveju, kai pagreičio kryptis yra priešinga laisvojo kritimo pagreičiui, pastebimas svorio padidėjimas. Jeigu kūno pagreitis sutampa su laisvojo kritimo kryptimi, tai kūno svoris mažėja. Pavyzdžiui, būdamas kylančiame lifte, pakilimo pradžioje žmogus kurį laiką jaučia svorio padidėjimą. Tvirtina, kad jo masėkeičiasi, tai ne. Tuo pačiu mes atskiriame sąvokas „kūno svoris“ir jo „masė“.
Elastingumo jėga
Keičiant kūno formą (jo deformaciją), atsiranda jėga, kuri linkusi grąžinti kūną į pradinę formą. Ši jėga buvo pavadinta „elastinga jėga“. Jis atsiranda dėl kūną sudarančių dalelių elektrinės sąveikos.
Panagrinėkime paprasčiausią deformaciją: įtempimą ir suspaudimą. Įtempimą lydi linijinių kūnų matmenų padidėjimas, o suspaudimą – jų mažėjimas. Šiuos procesus apibūdinanti vertė vadinama kūno pailgėjimu. Pažymėkime jį "x". Tamprumo jėgos formulė yra tiesiogiai susijusi su pailgėjimu. Kiekvienas deformuojamas kūnas turi savo geometrinius ir fizinius parametrus. Tamprumo atsparumo deformacijai priklausomybę nuo kūno ir medžiagos, iš kurios jis pagamintas, savybių lemia tamprumo koeficientas, pavadinkime jį standumu (k).
Matematinis tampriosios sąveikos modelis aprašomas Huko dėsniu.
Jėga, atsirandanti dėl kūno deformacijos, nukreipta prieš atskirų kūno dalių poslinkio kryptį, yra tiesiogiai proporcinga jos pailgėjimui:
- Fy=-kx (vektorinis žymėjimas).
Ženklas „-“rodo priešingą deformacijos ir jėgos kryptį.
Skaliarinėje formoje nėra neigiamo ženklo. Tamprumo jėga, kurios formulė yra tokia Fy=kx, naudojama tik tampriosioms deformacijoms.
Magnetinio lauko sąveika su srove
Įtakamagnetinis laukas į nuolatinę srovę apibūdinamas Ampero dėsniu. Šiuo atveju jėga, kuria magnetinis laukas veikia į jį įdėtą srovės laidininką, vadinama Ampero jėga.
Magnetinio lauko sąveika su judančiu elektros krūviu sukelia jėgos pasireiškimą. Ampero jėga, kurios formulė yra F=IBlsinα, priklauso nuo lauko magnetinės indukcijos (B), aktyviosios laidininko dalies ilgio (l), srovės stiprio (I) laidininke ir kampo. tarp srovės krypties ir magnetinės indukcijos.
Dėl paskutinės priklausomybės galima teigti, kad magnetinio lauko vektorius gali keistis sukant laidininką arba kintant srovės krypčiai. Kairiosios rankos taisyklė leidžia nustatyti veiksmo kryptį. Jei kairioji ranka yra išdėstyta taip, kad magnetinės indukcijos vektorius patektų į delną, keturi pirštai nukreipiami išilgai laidininko srovės, tada nykštys, sulenktas 90°, parodys jo kryptį. magnetinis laukas.
Žmonija šį efektą naudoja, pavyzdžiui, elektros varikliuose. Rotoriaus sukimąsi sukelia galingo elektromagneto sukuriamas magnetinis laukas. Jėgos formulė leidžia spręsti apie galimybę keisti variklio galią. Didėjant srovei arba lauko stiprumui, didėja sukimo momentas, todėl padidėja variklio galia.
Dalelių trajektorijos
Magnetinio lauko sąveika su krūviu plačiai naudojama masių spektrografuose tiriant elementariąsias daleles.
Šiuo atveju lauko veiksmas sukelia jėgos, vadinamos, atsiradimąLorenco jėga. Kai tam tikru greičiu judanti įkrauta dalelė patenka į magnetinį lauką, Lorenco jėga, kurios formulė yra F=vBqsinα, priverčia dalelę judėti apskritimu.
Šiame matematiniame modelyje v yra dalelės, kurios elektros krūvis yra q, greičio modulis, B yra magnetinė lauko indukcija, α yra kampas tarp greičio krypčių ir magnetinės indukcijos.
Dalelė juda apskritimu (arba apskritimo lanku), nes jėga ir greitis nukreipti vienas į kitą 90° kampu. Pakeitus linijinio greičio kryptį, atsiranda pagreitis.
Kairės rankos taisyklė, aptarta aukščiau, taip pat galioja tiriant Lorenco jėgą: jei kairioji ranka yra taip, kad magnetinės indukcijos vektorius patektų į delną, keturi pirštai, ištiesti linija, nukreipiami išilgai teigiamai įkrautos dalelės greitis, tada nykštis sulenktas 90° rodo jėgos kryptį.
Plazmos problemos
Magnetinio lauko ir medžiagos sąveika naudojama ciklotronuose. Problemos, susijusios su laboratoriniu plazmos tyrimu, neleidžia jos laikyti uždaruose induose. Labai jonizuotos dujos gali egzistuoti tik esant aukštai temperatūrai. Plazma gali būti laikoma vienoje vietoje erdvėje magnetinių laukų pagalba, sukant dujas žiedo pavidalu. Valdomas termobranduolines reakcijas taip pat galima tirti sukant aukštos temperatūros plazmą į siūlą naudojant magnetinius laukus.
Magnetinio lauko veikimo pavyzdysin vivo ant jonizuotų dujų – Aurora Borealis. Šis didingas reginys stebimas už poliarinio rato 100 km aukštyje virš žemės paviršiaus. Paslaptingas spalvingas dujų švytėjimas galėjo būti paaiškintas tik XX a. Žemės magnetinis laukas šalia ašigalių negali sutrukdyti saulės vėjui prasiskverbti į atmosferą. Aktyviausia spinduliuotė, nukreipta pagal magnetinės indukcijos linijas, sukelia atmosferos jonizaciją.
Reiškiniai, susiję su krūvio judėjimu
Istoriškai pagrindinis dydis, apibūdinantis srovės srautą laidininke, vadinamas srovės stipriu. Įdomu tai, kad ši sąvoka neturi nieko bendra su jėga fizikoje. Srovės stipris, kurio formulė apima krūvį, tekantį per laiko vienetą per laidininko skerspjūvį, yra:
I=q/t, kur t yra įkrovos srauto laikas q
Tiesą sakant, srovės stiprumas yra įkrovimo dydis. Jo matavimo vienetas yra amperas (A), kitaip nei N.
Jėgos veikimo nustatymas
Priverstinį poveikį medžiagai lydi darbo atlikimas. Jėgos darbas yra fizikinis dydis, skaitiniu požiūriu lygus jėgos ir poslinkio sandaugai, kurią veikia jai veikiant, ir kampo tarp jėgos ir poslinkio krypčių kosinusui.
Norimas jėgos darbas, kurio formulė A=FScosα, apima jėgos dydį.
Kūno veikimą lydi kūno greičio pasikeitimas arba deformacija, kuri rodo tuo pačiu metu vykstančius energijos pokyčius. Jėgos atliktas darbas priklauso nuovertės.
