Jėga fizikoje: apibrėžimas, niutonai ir keturios pagrindinės jėgos

Fizikoje jėga yra sąveika, dėl kurios veikiamas objektas stumiamas, traukiamas arba sukamas tam tikra kryptimi. Dėl jėgos keičiasi objekto judėjimo momentas — objektas gali greitėti, sulėtėti, pasisukti, pasikeisti slėgis arba keistis kryptis ir forma. Jėgos dydis SI vienetais matuojamas niutonais (N).

Kas yra jėga — trumpai

Jėga yra vektorinis dydis: ji turi ir magnitude (stiprį), ir kryptį. Tai reiškia, kad dvi vienodo dydžio jėgos, veikiančios priešingomis kryptimis, viena kitą dalinai arba visiškai kompensuoja. Realiose užduotyse dažnai svarstoma jėgų rezultantas (galutinė arba net jėga), kuri nustato kūno pagreitį pagal Niutono antrąjį dėsnį:

F = m · a,

kur F — rezultatinė jėga, m — masė, a — pagreitis. Iš čia seka ir niutono apibrėžimas: vienas niutonas (1 N) yra tokia jėga, kuri suteikia 1 kg masei 1 m/s² pagreitį (1 N = 1 kg·m/s²).

Jėgos savybės ir poveikio formos

Kontaktinės jėgos — atsiranda tiesioginio kontakto metu (trintis, normalioji jėga, tempimo ir suspaudimo jėgos).
Laiko (tolimų sąveikų) jėgos — veikia per lauko principą (pvz., gravitacinė ir elektromagnetinė jėga) be tiesioginio kontakto.
Momentas (sukimo jėga, momentas) — jėgos sukuriamas sukamasis poveikis; matuojamas Niutono‑metrais (N·m).
Superpozicija — kelios jėgos veikiant kartu susumuojamos vektoriškai; galutinė jėga lemia kūno pagreitį.

Niutono dėsniai (santrauka)

1‑asis dėsnis (inercijos dėsnis): kūnas laikui bėgant išlieka ramybės būsenoje arba vienodo greičio tiesia linija, jei jį veikia nulio rezultatinių jėgų rinkinys.
2‑asis dėsnis: rezultatinė jėga lyginama masės ir pagreičio sandauga (F = m·a).
3‑iasis dėsnis: kiekvienai jėgai yra priešinga ir lygi jėga (veikimo ir priešveikimo principas).

Keturios pagrindinės jėgos

Fizikoje išskiriamos keturios fundamentinės sąveikos, kurios valdo visus žinomus procesus:

Gravitacinė jėga — veikia masyvias daleles ir turi begalinį veikimo diapazoną, bet palyginti silpna; atsakinga už planetų orbitas, laisvą kritimą, Žemės trauką.
Elektromagnetinė jėga — veikia tarp įkrautų dalelių; stipri ir atsakinga už chemines jungtis, trintį, šviesos (elektromagnetinių bangų) savybes.
Stiprioji branduolinė jėga — labai stipri, bet veikia labai mažais atstumais (branduolio masteliu); laiko kartu protonus ir neutronus branduolyje.
Silpnoji branduolinė jėga — atsakinga už tam tikrus radioaktyvius skilimus ir kelis branduolinius procesus; veikimo diapazonas taip pat labai mažas.

Dauguma kasdienių reiškinių sprendžiami naudojant gravitacinę ir elektromagnetinę jėgas; branduolinės jėgos tampa svarbios branduolinės fizikos kontekste.

Kontaktinės jėgos ir pusiausvyra

Objektas yra mechaninėje pusiausvyroje, jei veikiančių jėgų rezultantas yra nulis — tokiu atveju kūnas lieka ramybės būsenoje arba juda tolygiai tiesia linija. Praktikoje tai reiškia, kad reikia atsižvelgti į visas veikiančias jėgas: svorio jėgą (gravitacija), atramines jėgas, trintį, varžą oro tėkmėje ir kt.

Jėgos matavimas

Jėga matuojama dinamometru arba skaičiavimo būdais sprendžiant masę ir pagreitį. Standartiškai naudojamas niutonas (N). Įrenginiai ir eksperimentai dažnai naudoja laisvo kūno diagramas (free‑body diagrams), kad aiškiai parodytų visas veikiančias jėgas ir apskaičiuotų rezultatą.

Pavyzdžiai

Stumti dėžę ant grindų: veikia stumimo jėga, trintis ir atraminė jėga; rezultatas lemia, ar dėžė pradės judėti.
Atomų ir molekulių sąveika: dominuoja elektromagnetinė jėga — ji lemia chemines savybes ir medžiagų struktūras.
Planetų judėjimas: gravitacija lemia orbitas ir orbitalinius judesius.

Apibendrinant: jėga yra pagrindinė mechanikos sąvoka, paaiškinanti, kaip ir kodėl objektai juda arba keičia savo formą. Supratus jėgų pobūdį ir taisykles, galima analitiškai spręsti daugelį fizikos uždavinių ir prognozuoti sistemų elgesį.

Antrasis Niutono dėsnis

Pagal antrąjį Niutono judėjimo dėsnį formulė jėgai nustatyti yra tokia:

F = m a {\displaystyle F=ma} $F=ma$

kur F {\displaystyle F} yra jėga,
m {\displaystyle m} - objekto masė
, o a {\displaystyle a} - objekto pagreitis.

Ši formulė teigia, kad kai objektą veikia jėga, jis juda vis greičiau ir greičiau. Jei jėga yra silpna, o objektas sunkus, tai prireiks daug laiko, kad greitis labai padidėtų, bet jei jėga yra stipri, o objektas lengvas, tai jis labai greitai pradės judėti daug greičiau.

Svoris

Gravitacija yra pagreitis. Dėl šio pagreičio viskas, kas turi masę, traukiama Žemės link. Ši trauka yra jėga, vadinama svoriu.

Galima paimti pirmiau pateiktą lygtį ir pakeisti a {\displaystyle a} į standartinę gravitaciją g, tada galima rasti formulę apie gravitaciją Žemėje:

W = m g {\displaystyle W=mg} $W=mg$

kur W {\displaystyle W} $W$ yra objekto svoris,
m {\displaystyle m} - objekto masė,
o g {\displaystyle g} - gravitacijos pagreitis jūros lygyje. Jis yra maždaug 9,8 m/s 2 {\displaystyle 9,8 m/s^{2}}. $9.8m/s^{2}$ .

Pagal šią formulę, žinant objekto masę, galima apskaičiuoti, kokia jėga veikia objektą dėl gravitacijos. Norėdami naudoti šią formulę, turite būti Žemėje. Jei esate Mėnulyje ar kitoje planetoje, galite naudoti šią formulę, bet g bus kitoks.

Jėga yra vektorius, todėl ji gali būti stipresnė arba silpnesnė ir gali būti nukreipta į skirtingas puses. Gravitacija visada nukreipta žemyn į žemę (jei nesate kosmose).

Gravitacinė jėga

Dar viena lygtis, kurioje teigiama apie gravitaciją, yra tokia:

F = G m 1 m 2 d 2 {\displaystyle {F}={\frac {Gm_{1}m_{2}}{d^{2}}}} ${F}={\frac {Gm_{1}m_{2}}{d^{2}}}$

F {\displaystyle F} - jėga; G {\displaystyle G} - $G$ gravitacinė konstanta, kuri naudojama norint parodyti, kaip gravitacija pagreitina objektą; m 1 {\displaystyle m_{1}} $m_{1}$ - vieno objekto masė; m 2 {\displaystyle m_{2}} $m_{2}$ - antrojo objekto masė; ir d {\displaystyle d} $d$ - atstumas tarp objektų.

Pagal šią lygtį apskaičiuojama, kaip Žemė juda aplink Saulę ir kaip Mėnulis juda aplink Žemę. Ji taip pat naudojama apskaičiuoti, kaip juda kitos planetos, žvaigždės ir kosminiai objektai.

Lygtis sako, kad jei du objektai yra labai sunkūs, tarp jų veikia stipri gravitacijos jėga. Jei jie yra labai toli vienas nuo kito, jėga yra silpnesnė.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra jėga?

A: Jėga yra objektų stūmimas arba traukimas. Tai sąveika, kuri atsiranda, kai vienas objektas veikia kitą, o jo veikimą atitinka kito objekto reakcija.

K: Kaip trečiasis Niutono dėsnis paaiškina jėgas?

A: Trečiasis Niutono dėsnis teigia, kad veiksmas ir reakcija yra "lygūs ir priešingi" (suderinti). Tai reiškia, kad kai vienas objektas veikia kitą objektą, antrasis objektas reaguoja lygiai taip pat, bet priešingai.

Klausimas: Tarp kokių tipų objektų veikia skirtingos jėgos?

A: Skirtingos jėgos veikia skirtingus objektus. Pavyzdžiui, gravitacija veikia tarp objektų, turinčių masę, pavyzdžiui, saulės ir žemės, o elektromagnetinė jėga veikia tarp objektų, turinčių krūvį, pavyzdžiui, elektronų ir atomų.

K: Kaip jėga keičia objekto būseną?

A: Jėga keičia objekto būseną sukeldama jo stūmimą arba traukimą tam tikra kryptimi, dėl to keičiasi jo judesio momentas, jis pagreitėja, padidėja jo bendras slėgis, pasikeičia jo kryptis arba forma kokiu nors kitu būdu.

K: Kaip matuojamas jėgos stiprumas?

A: Jėgos stiprumas matuojamas niutonais (N).

K: Kiek fizikoje yra pagrindinių jėgų?

A: Fizikoje yra keturios pagrindinės jėgos.

K: Kokiais būdais jėgos gali paveikti objektus?

A: Jėgos gali paveikti objektus stumdamos juos aukštyn, traukdamos žemyn, stumdamos į šoną arba kitaip keisdamos jų judėjimą ar formą.