كلمة "القوة" شاملة للغاية لدرجة أن إعطائها مفهومًا واضحًا يعد مهمة شبه مستحيلة. لا يغطي التنوع من قوة العضلات إلى قوة العقل النطاق الكامل للمفاهيم المستثمرة فيه. القوة ، التي تعتبر كمية فيزيائية ، لها معنى وتعريف جيد التحديد. تحدد صيغة القوة نموذجًا رياضيًا: اعتماد القوة على المعلمات الرئيسية.
يتضمن تاريخ أبحاث القوة تعريف الاعتماد على المعلمات وإثبات الاعتماد التجريبي.
القوة في الفيزياء
القوة مقياس تفاعل الأجسام. يصف العمل المتبادل للأجسام على بعضها البعض بشكل كامل العمليات المرتبطة بتغيير سرعة أو تشوه الأجسام.
ككمية فيزيائية ، تمتلك القوة وحدة قياس (في نظام SI - نيوتن) وجهاز لقياسها - مقياس ديناميكي. يعتمد مبدأ تشغيل مقياس القوة على مقارنة القوة المؤثرة على الجسم بقوة زنبرك للمقياس الديناميكي.
قوة مقدارها 1 نيوتن تؤخذ على أنها القوة التي بموجبها يغير جسم كتلته 1 كجم سرعته بمقدار 1 متر في ثانية واحدة.
القوة كما يتم تعريف كمية متجه:
- اتجاه العمل ؛
- نقطة التطبيق
- وحدة ، مطلقالحجم
وصف التفاعل ، تأكد من الإشارة إلى هذه المعلمات.
أنواع التفاعلات الطبيعية: الجاذبية ، الكهرومغناطيسية ، القوية ، الضعيفة. توجد قوى الجاذبية (قوة الجاذبية الشاملة بتنوعها - قوة الجاذبية) بسبب تأثير مجالات الجاذبية المحيطة بأي جسم له كتلة. لم تكتمل دراسة مجالات الجاذبية حتى الآن. ليس من الممكن حتى الآن العثور على مصدر الحقل.
ينشأ نطاق أكبر من القوى من التفاعل الكهرومغناطيسي للذرات التي تشكل المادة.
قوة الضغط
عندما يتفاعل الجسم مع الأرض ، فإنه يمارس ضغطًا على السطح. قوة الضغط ، صيغتها: P=mg ، تحددها كتلة الجسم (م). لتسارع الجاذبية (g) قيم مختلفة عند خطوط عرض مختلفة للأرض.
قوة الضغط العمودي متساوية في القيمة المطلقة ومعاكسة في الاتجاه لقوة المرونة الناشئة في الدعم. تتغير صيغة القوة تبعًا لحركة الجسم.
تغيير في وزن الجسم
غالبًا ما يشار إلى عمل الجسم على دعامة بسبب التفاعل مع الأرض بوزن الجسم. ومن المثير للاهتمام أن مقدار وزن الجسم يعتمد على تسارع الحركة في الاتجاه الرأسي. في الحالة التي يكون فيها اتجاه التسارع معاكسًا لتسارع السقوط الحر ، لوحظ زيادة في الوزن. إذا تزامن تسارع الجسم مع اتجاه السقوط الحر ، ينخفض وزن الجسم. على سبيل المثال ، أثناء وجوده في مصعد صاعد ، في بداية الصعود ، يشعر الشخص بزيادة في الوزن لفترة من الوقت. أكد أن كتلتهيتغير ، لا. في نفس الوقت نفصل بين مفهومي "وزن الجسم" و "كتلته".
قوة مرنة
عند تغيير شكل الجسم (تشوهه) تظهر قوة تميل إلى إعادة الجسم إلى شكله الأصلي. أُطلق على هذه القوة اسم "القوة المرنة". ينشأ بسبب التفاعل الكهربائي للجسيمات التي يتكون منها الجسم.
لنفكر في أبسط تشوه: التوتر والضغط. يصاحب التوتر زيادة في الأبعاد الخطية للأجسام ، بينما يترافق الانضغاط مع انخفاضها. القيمة التي تميز هذه العمليات تسمى استطالة الجسم. دعنا نشير إليها بـ "x". ترتبط صيغة القوة المرنة ارتباطًا مباشرًا بالاستطالة. كل جسم يتعرض للتشوه له معاييره الهندسية والفيزيائية الخاصة. اعتماد المقاومة المرنة للتشوه على خصائص الجسم والمواد التي صنعت منها يتحدد بمعامل المرونة ، دعنا نسميها الصلابة (k).
يوصف قانون هوكي النموذج الرياضي للتفاعل المرن.
القوة الناتجة عن تشوه الجسم موجهة ضد اتجاه إزاحة الأجزاء الفردية من الجسم ، وتتناسب طرديًا مع استطالة الجسم:
- Fy=-kx (تدوين متجه).
تشير علامة "-" إلى الاتجاه المعاكس للتشوه والقوة.
لا توجد علامة سالبة في شكل عددي. القوة المرنة ، التي لها الصيغة التالية Fy=kx ، تستخدم فقط للتشوهات المرنة.
تفاعل المجال المغناطيسي مع التيار
التأثيريصف قانون أمبير المجال المغناطيسي للتيار المباشر. في هذه الحالة ، القوة التي يعمل بها المجال المغناطيسي على الموصل الحامل للتيار الموضوعة فيه تسمى قوة أمبير.
تفاعل المجال المغناطيسي مع شحنة كهربائية متحركة يتسبب في ظهور قوة. تعتمد قوة الأمبير ، التي تكون صيغتها F=IBlsinα ، على الحث المغناطيسي للمجال (B) ، وطول الجزء النشط من الموصل (l) ، والقوة الحالية (I) في الموصل والزاوية بين اتجاه التيار والحث المغناطيسي
بسبب الاعتماد الأخير ، يمكن القول أن متجه المجال المغناطيسي يمكن أن يتغير عندما يدور الموصل أو يتغير اتجاه التيار. تسمح لك قاعدة اليد اليسرى بتحديد اتجاه الحركة. إذا تم وضع اليد اليسرى بحيث يدخل ناقل الحث المغناطيسي في راحة اليد ، يتم توجيه أربعة أصابع على طول التيار في الموصل ، ثم ثني الإبهام بمقدار 90°سيظهر اتجاه المجال المغناطيسي.
تم العثور على استخدام البشرية لهذا التأثير ، على سبيل المثال ، في المحركات الكهربائية. ينتج دوران الدوار عن مجال مغناطيسي تم إنشاؤه بواسطة مغناطيس كهربائي قوي. تسمح لك صيغة القوة بالحكم على إمكانية تغيير قوة المحرك. مع زيادة التيار أو شدة المجال ، يزداد عزم الدوران ، مما يؤدي إلى زيادة قوة المحرك.
مسارات الجسيمات
يستخدم تفاعل المجال المغناطيسي مع الشحنة على نطاق واسع في أجهزة قياس الطيف الكتلي في دراسة الجسيمات الأولية.
يتسبب عمل المجال في هذه الحالة في ظهور قوة تسمىقوة لورنتز. عندما يدخل جسيم مشحون يتحرك بسرعة معينة إلى مجال مغناطيسي ، فإن قوة لورنتز ، التي تكون صيغتها على شكل F=فيبكسينا ، تجعل الجسيم يتحرك في دائرة.
في هذا النموذج الرياضي ، v هي معامل سرعة الجسيم الذي تكون شحنته الكهربائية q ، B هي الحث المغناطيسي للمجال ، α هي الزاوية بين اتجاهات السرعة والحث المغناطيسي.
يتحرك الجسيم في دائرة (أو قوس من دائرة) ، حيث يتم توجيه القوة والسرعة بزاوية 90°لبعضهما البعض. يؤدي تغيير اتجاه السرعة الخطية إلى ظهور التسارع.
قاعدة اليد اليسرى ، التي تمت مناقشتها أعلاه ، تحدث أيضًا عند دراسة قوة لورنتز: إذا تم وضع اليد اليسرى بحيث يدخل متجه الحث المغناطيسي راحة اليد ، يتم تمديد أربعة أصابع في خط على طول سرعة الجسيم موجب الشحنة ، ثم الإبهام 90°يوضح اتجاه القوة.
مشاكل البلازما
يستخدم تفاعل المجال المغناطيسي والمادة في السيكلوترونات. لا تسمح المشاكل المرتبطة بالدراسة المعملية للبلازما بالاحتفاظ بها في أوعية مغلقة. لا يمكن أن يوجد غاز شديد التأين إلا في درجات حرارة عالية. يمكن الاحتفاظ بالبلازما في مكان واحد في الفضاء عن طريق المجالات المغناطيسية ، مما يؤدي إلى لف الغاز على شكل حلقة. يمكن أيضًا دراسة التفاعلات النووية الحرارية التي يتم التحكم فيها عن طريق تدوير البلازما ذات درجة الحرارة العالية في خيوط باستخدام المجالات المغناطيسية.
مثال على عمل المجال المغناطيسيفي الجسم الحي على الغاز المتأين - الشفق القطبي. شوهد هذا المشهد المهيب خارج الدائرة القطبية الشمالية على ارتفاع 100 كيلومتر فوق سطح الأرض. لا يمكن تفسير التوهج الغامض للغازات الغامضة إلا في القرن العشرين. لا يمكن للحقل المغناطيسي للأرض بالقرب من القطبين منع الرياح الشمسية من اختراق الغلاف الجوي. أكثر الإشعاع نشاطا والموجه على طول خطوط الحث المغناطيسي يسبب تأين الغلاف الجوي.
الظواهر المرتبطة بحركة الشحنة
تاريخيا ، الكمية الرئيسية التي تميز تدفق التيار في الموصل تسمى القوة الحالية. ومن المثير للاهتمام أن هذا المفهوم لا علاقة له بالقوة في الفيزياء. القوة الحالية ، التي تتضمن صيغتها الشحنة المتدفقة لكل وحدة زمنية عبر المقطع العرضي للموصل ، هي:
I=q / t ، حيث t هو وقت تدفق الشحن q
في الواقع ، القوة الحالية هي مقدار الشحن. وحدة القياس الخاصة بها هي الأمبير (A) ، على عكس N.
تحديد عمل القوة
قوة العمل على مادة ما مصحوبة بأداء العمل. عمل القوة هو كمية مادية مساوية عدديًا لحاصل ضرب القوة والإزاحة التي مرت بها ، وجيب الزاوية بين اتجاهي القوة والإزاحة.
العمل المطلوب للقوة ، معادلتها A=FScosα ، يتضمن مقدار القوة.
حركة الجسم مصحوبة بتغيير في سرعة الجسم أو تشوه ، مما يشير إلى تغيرات متزامنة في الطاقة. العمل الذي تقوم به القوة يعتمد علىالقيم
