Fiziksel güç)

güç Yerçekimi , manyetizma veya bir kütlenin ivmesini oluşturan başka herhangi bir fenomen nedeniyle farklı kuvvetler . Anahtar veri
SI birimleri N ( newton )
Boyut M⋅L⋅T −2
SI tabanı N = 1  kg  m  s -2
Doğa Boyut Vektörü kapsamlı
Her zamanki sembol veya F (kuvvet vektörü), F (yoğunluk veya cebirsel değer )
Diğer boyutlara bağlantı

= .

= .

Bir kuvvet modelleri, içinde fizik , bir mekanik hareket bir ilgili bir şey tarafından sarf etmiştir. Hız vektörünün değiştirilmesine neden olan bir ivme uygulayabilir : nesneye uygulanan bir kuvvet, nesnenin daha hızlı, daha yavaş gitmesine veya onu doğrusal bir yoldan sapmasına neden olur. 1684'te Isaac Newton , Newton mekaniğinin temellerini kurarak bu kavramı netleştirdi .

Bu kavramın gerçekliğini kavramak için önerilen bir duyusal temel, kas kasılma hissidir.

Tarih

Kuvvet kavramı eskidir, ancak yeni, kullanılabilir bir tanım bulmak uzun zaman aldı. Aslında, skaler niceliklerle temsil edilen uzunluk veya kütle gibi fiziksel niceliklerden farklı olarak, kuvvetler vektörlerle temsil edilebilir. Kuvvetlerin vektör temsilleri, kuvvetlerin kendilerinden ayırt edilmelidir. Kuvvetler konusunda işlemselciler veya araçsalcılar olarak adlandırılan bazı filozoflar ve fizikçiler, kuvvetlerin varlığını reddederler: Onlara göre, mekanikte kullanılan kuvvet vektörleri fizikçinin yararlı araçlarıdır, ancak gerçekte hiçbir şeyi tanımlamazlar. Argümanlarından biri, kuvvetlerin algılanamaz olmasıdır. Kuvvet realistleri ise kuvvet vektörlerinin temsillerinden bağımsız olarak var olan kuvvetleri ifade ettiğini iddia ederler. Güçlerin algılanamaz olduğu itirazına, genellikle dokunsal algının veya kas duyusunun bu tür fiziksel varlıkları deneyimlememize izin verdiğine yanıt verirler.

Arşimet , kaldıraç kolu problemini incelerken, bununla ne demek istediğini daha açık bir şekilde açıklamadan, cisimlerin ağırlığına atıfta bulundu. Makaralarla ilgili çalışmalarda, kuvvet kavramı tellerdeki gerilim olarak karışık bir şekilde kullanılmaktadır. Eğik düzlem veya düşen cisimler sorunu bile, kuvvet kavramına açıkça başvurmadan Galileo tarafından çözülmüştür .

Aynı zamanda, kuvvetlerin bileşimi, Simon Stevin'in çalışmasında ( De Beghinselen der Weeghconst , 1586 ) örtük olarak görünür . Ancak, kuvvet ve hız kavramları arasındaki ayrım henüz net değildir.

Çalışmalarının ardından Huygens , Leibniz matematiksel tanımlayan kuvvet hızının karesi ile çarpılarak kütle, bunun yanısıra, bir eylem bu kuvvet olarak (m · v 2 ) bir bütün yaşam kuvvetlerin toplamı, diğer bir deyişle zaman ile çarpılır sistem bir süre için Wolff , Maupertuis ve Lagrange'ın yaygınlaştıracağı bir kavramdı .

Newton , bugün hala fizikteki kuvvet tanımına karşılık gelen Philosophiae Naturalis Principia Mathematica'da ( 1687 ) hızlanan kuvveti tanımlar . Klasik mekaniğin basit bir sunumuna izin verdi ( Newton'un hareket yasaları ).

Bugün, fizikte kuvvet kavramı, özellikle eğitim ve mühendislikte yaygın olarak kullanılmaya devam etmektedir . Yine de, momentler , enerji ve hareket veya dürtü miktarları fiziğin temel miktarları olsa da, kuvvet bir modelleme aracı olarak görülebilir, uygun ancak gerekli değildir. Gelen analitik mekaniği kuvvet kavramını kullanmayan klasik mekaniğin formülasyonları vardır. Newton mekaniğinden sonra ortaya çıkan bu formülasyonlar, ancak kuvvet vektöründen bile daha soyut kavramlara hitap etmekte ve sonuç olarak bunların sadece yüksek öğretimde tanıtılmasının daha iyi olacağı düşünülmektedir.

Öte yandan, kuvvetler genellikle kısıtlama kavramıyla ve özellikle de gerilimlerle karıştırılır.

Tanım

In klasik mekanik bir kuvvet sıkı bir anlamı vardır. Doğası ne olursa olsun, bir etkileşimin modellenmesidir. Kuvvet veya etkileşim, bir nesnenin diğeri üzerindeki hareketinden kaynaklanır. Bu, özellikle temas etkileşimleri ( basınç , sürtünme , bağlanmadaki etkileşim ) veya uzaktan ( yerçekimi kuvveti , elektrostatik kuvvet , elektromanyetik kuvvet ) söz konusudur . Kuvvet, uygulama noktası, yönü, yönü ve yoğunluğu (newton cinsinden) olan bir vektör ile temsil edilir . [bkz. Kuvvet vektörü]

Çok kullanışlı bir konsept

Kuvvet kavramı, bir nesnenin maruz kaldığı hareketi ( dinamik ), kuvvetleri ( statik ) veya deformasyonları ( malzemelerin direnci ) “hayal etmek” için çok yararlıdır . Hareketin veya kuvvetlerin sebep(ler)i ne olursa olsun (sürtünmeyle frenleme, motorla hızlanma, hava akımlarıyla kanatta kaldırma, yer çekimi, mıknatısın çekmesi vb.), her şey sanki ona bağlıymış gibi olur. bu nesne, nesneye uygulanan kuvvetle aynı gerilimle gerilmiş küçük elastik bantlar.

Ayrıca aynı noktaya etki eden fakat farklı sebeplerden gelen kuvvetleri tek bir kuvvette birleştirmek mümkündür. Bunun için kuvvet vektörlerini eklemek yeterlidir (bu işlem, aynı noktaya bağlı, ancak belki de farklı yönlerde çeken iki elastik bandı aynı gerilimi üreten tek bir elastik ile değiştirmek anlamına gelir).

Kuvvet kavramına tüm gücünü veren, bu kadar çeşitli olguları tek bir araçta birleştirme ve birleştirme yeteneğidir.

Böylece, Newton'un hareket yasalarını bir kez özümsedikten sonra , klasik mekaniğin uygulama koşulları altında kalması koşuluyla, herhangi bir etkileşimin bir nesne üzerindeki etkisini anlayabiliriz:

Dünyalılar olarak günlük hayatımızda, yeryüzünde çıplak gözle görebildiğimiz nesneler üzerinde klasik mekaniği uygulama koşulları her zaman yerine getirilir. Ancak bu nesnelerin özellikleri (renkler, sertlik, elektronik bir cihazın işleyişi vb.) genellikle moleküler düzeydeki etkileşimlerle açıklanır ve bazen açıklanması için kuantum mekaniğine başvurmayı gerektirir.

Karmaşık sistemlere uygulama

Birkaç nesneden oluşan bir fiziksel sistemin davranışını incelediğimizde ve sisteme (yani farklı nesnelere) uygulanan kuvvetlerin stokunu aldığımızda , iç kuvvetleri (diğer nesneler tarafından uygulanan) ayırt etmek yararlıdır . sistem) dış kuvvetler ( sistemin dışındaki nesneler tarafından uygulanır). Gerçekten de iç kuvvetlerin bileşkesinin sıfır olduğu ve bu nedenle sistemin genel ivmesine (yani ağırlık merkezinin ivmesine ) hiçbir şekilde katkıda bulunmadıkları gösterilmiştir . Öte yandan, enerji dengesine müdahale ederler (çünkü çiftler halinde iki karşıt kuvvet çok iyi sıfırdan farklı sağlayabilir ).

kuvvet vektörü

Fizikte, bir kuvveti bir vektörle modelleriz. Kuvvet vektörünün bir temsilcisi dört unsurla karakterize edilir:

  1. Yön: kuvvet yönü;
  2. Anlamı: kuvvetin etki ettiği yere doğru;
  3. Standart: kuvvetin yoğunluğu, Newton (N) cinsinden ölçülür ;
  4. Uygulama noktası: Kuvvetin uygulandığı yer.

Kuvvetlerin paralelkenarı (Kuvvet vektörlerine uygulanan Chasles bağıntısı)

Kuvvetlerin paralelkenar teoremi hareketleri son hareketi üzerinde önemli bir etkiye sahip olan bu kombinasyonun için birbirleri ile kombine edilebilir gözlemine gelir.

Karşıdaki paralelkenarda iki tür hareket ayırt edebiliriz:

Bir katı başlangıçta A noktasına yerleştirildiğinde, AB, ardından BC veya AD, ardından DC hareket sırası nihai sonuç üzerinde hiçbir etkiye sahip değildir: hareketlerin sırası ne olursa olsun, katı C noktasına hareket ettirilir.

Bu gözleme dayanarak, kuvvetler (nedenler) ve hareketler (etkiler) arasındaki gözlem yapıldı ve Simon Stevin, ardından Isaac Newton , kuvvetlerin paralelkenar teoremini şöyle ifade edebildi:

Katı bir A noktası düşünün . Bizim buna bir kuvvet uygulamak Let F 1 segmentine doğru orantılı ve paralel AB noktasında katı dengesini değiştirerek B , daha sonra bir kuvvet F 2 oransal ve kademeli olarak paralel BC ve nokta katının dengeyi değiştirdiğinden B'den C noktasına . Daha sonra bir güç F 3 kesimine paralel AC ve hangi nokta katının denge hareket A noktasına Cı şekildedir: .

Kuvvet F 3 iki kuvvetlerinin "elde edilen" kuvvet denir F 1 ve F 2 .

Bunun aksine olarak, bir nokta B bir ve kuvvet F 3 segmenti ile orantılı ve paralel AC ve hangi nokta katının dengeyi değiştirdiğinden, A noktası ile C . Sırasıyla AB ve BC segmentlerine paralel olan F 1 ve F 2 kuvvetlerini göz önünde bulundurun ve şöyle ki: . F 1 ve F 2 kuvvetlerinin katı cisme uygulanması ikincisinin dengesini A noktasından C noktasına hareket ettirecektir .

Kuvvetlerin bu son özelliği, bir kuvveti birkaç bileşene ayırmayı mümkün kılar ve örneğin, bir tepki kuvvetini R , normal bileşenlerine (destek kuvveti N ) ve teğetsel (sürtünme kuvveti T ) olarak ayrıştırmak için kullanılır .

Son olarak, bir nokta D şekilde ABCD , bir paralelkenar sonra kuvvet F 2 nokta katının dengeyi değiştirdiğinden, B noktasına C de nokta gelen denge kayabilir A noktası ile D . Bu kuvvet için aynıdır F 1 ya nokta katı taşıyabilir A noktası ile B veya nokta D noktasına C .

Kuvvetlerin paralelkenarı, doğal olarak, genellikle not edilen bir vektör tarafından modellenmesine yol açar . Vektörün yönü ve yönü sırasıyla eylemin yönünü ve yönünü, vektörün uzunluğu ise aynı eylemin yoğunluğunu gösterir.

Bu gösterimle, kuvvetlerin paralelkenarı basitçe aşağıdaki vektör ilişkisine indirgenir:

.

uygulama noktası

Bir kuvvet, eylemini uygulama noktası (veya çarpma noktası) olarak adlandırılan bir noktada uygular . Bu noktanın bilinmesi kuvvet momentinin belirlenmesinde önemlidir .

Bir kuvvetin etkisi, elastik deformasyon yoluyla nesnenin diğer noktalarına iletilebilir, örneğin, bir araba itilirse, elin avuç içi tarafından uygulanan kuvvet aracın geri kalanına iletilir.

Bir "nokta" nedeni durumunda uygulama noktası kavramı açıktır: bir nesneyi elle itersek, uygulama noktası nesne ile el arasındaki temas noktasıdır ve eğer onu bir el ile çekerseniz. ip, ipin bağlanma noktasıdır. Bununla birlikte, daha yakından bakıldığında, elin avuç içi belirli bir yüzey alanı oluşturur ve ipin sıfır olmayan bir bölümü vardır. Bu nedenle kuvvet, bir noktada değil, bir yüzeye uygulanır. Uygulama noktası , kuvvetin yüzeye eşit olarak dağıldığını varsayarsak, aslında yüzeyin ağırlık merkezidir ; değilse, bir basınç sorununa kadar kaynar .

Kavram, üzerine bir nesnenin yerleştirildiği bir desteğin tepkimesi veya Arşimet itmesi durumunda olduğu gibi, temas yüzeyinin önemli olduğu duruma genişletilebilir . Hacim kuvvetleri, yani ağırlık veya elektrostatik çekim gibi nesnenin her noktasına uygulanan belirli bir mesafedeki kuvvetler; uygulama noktası aynı zamanda bir ağırlık merkezidir (ağırlık durumunda nesnenin eylemsizlik merkezi ).

Boyut ve ölçü birimleri

Kuvvetin boyut denklemi vardır  :

[F] = M × L × T -2 .

Ölçüm birimi (SI) bir kuvvetin olan Newton bilim adamı için saygı, sembol, N, Isaac Newton .

Newton 1 kg⋅m⋅s eşdeğer -2 olduğu, bir Newton bir kilogram bir nesne için bir saniye süreyle uygulanır, hareket ile kolineer kuvveti (veya çıkarma) bir metre başına eklemek mümkün olduğu hızıyla ikinci sırada.

Aynı zamanda, kullanılan kilogramı kuvvet (kgf) 1 bir kitle tarafından uygulanan kuvvet kg (deniz seviyesinde) yeryüzünün yerçekimi alanında ve bu nedenle yaklaşık 9.81 olan  , N , hem de sthene olan eşit 1  kN . Havacılık ve astronotik tonluk itiş: kilogram-kuvvet katları büyük kullanım yaptık. Kgf'yi kullandığımız yerde, şimdi decanewton'u (daN) kullanıyoruz:

1  daN = 10  N = 1.02  kgf .

Kilogram-kuvvet bazen hala kullanılmaktadır, ancak ünite tavsiye edilmese de, örneğin bazı DIY ürünlerinde (bir kablonun direnci).

Anglo-Saksonlar bazen pound-force kullanırlar  :

1  lbf ≃ 4,45  , N .

Kuvvet kavramı ve modern fizik teorileri

In Newton mekaniği , kuvvet ve hareket arasındaki ilişki verilir Newton'un 2 nd yasa veya "dinamiğin temel ilkesi":

burada bir ivme , yani kütle kat hızlı (ivme belirli bir zaman kısa bir süre içinde üretilen hareket miktarındaki değişim ise) 'nin ürününden nesnesi ve t ise zamanı . Kütle sabit ise, o zaman

burada bir hızlanma .

Ernst Mach , Mechanics: Historical and Critical Statement of Its Development ( 1883 ) adlı çalışmasında Newton'un ikinci yasasının Isaac Newton'un kendisi tarafından verilen kuvvet tanımını içerdiğine dikkat çekti . Gerçekten de, bir kuvveti ivmeyi yaratan olarak tanımlamak , içinde olandan başka bir şey öğretmez ve sonuçta bu son denklemin (tamamlanmamış) bir yeniden formüle edilmesidir.

Dairesel tanımlar dışında bir kuvveti tanımlayamama Ernst Mach , Clifford Truesdell ve Walter Noll gibi birçok fizikçi için sorunluydu . Bu nedenle, ikincisi, boşuna, güç kavramının açık bir tanımını oluşturmaya çalıştı.

Modern fizik teorileri , bir etkileşimin kaynağı veya belirtisi olarak güçlere başvurmaz. Genel görelilik eğrilik kavramını kullanır uzay-zaman . Kuantum mekaniği arasında değişim tarif temel parçacık formunda fotonlar , bozonları ve gluonların . Bu iki teorinin hiçbiri güç kullanmaz. Bununla birlikte, kuvvet kavramı sezgi için pratik bir destek olduğundan, genel görelilik için olduğu kadar kuantum mekaniği için de kuvvetleri hesaplamak her zaman mümkündür. Ama, olduğu gibi Newton'un 2 nd hukuk , kullanılan denklemler bir gücün içsel doğasının ne ilişkin ek bilgi sağlamaz.

Doğanın dört gücü

Maddenin tüm etkileşimleri sadece dört tür kuvvetle açıklanabilir:

Son ikisi sadece atom çekirdeğine dahili olarak müdahale eder ve bizim ölçeğimizdeki tek somut tezahürleri nükleer reaksiyonlardır. Güçlü etkileşim, proton ve nötron gibi kuarklardan oluşan parçacıkların parçalanmamasını sağlar. Atomların kararlılığından dolaylı olarak da olsa sorumludur . Bizim ölçeğimizde daha gizli olan zayıf etkileşim, belirli bir nükleer reaksiyon tipinde, β bozunmasında kendini gösterir .

Nükleer reaksiyonlar dışında ve bir kez atomlar verildiğinde ve atom çekirdeğindeki etkileşimleri dikkate alınmadan, ölçeğimizdeki çoğu fiziksel fenomen sadece diğer iki etkileşimi içerir. Yerçekimi kuvveti, astronomi ve jeoloji tarafından tanımlanan fenomenlerin çoğunda kendini gösterir (esas olarak, ilgilendiğimiz kadarıyla, Dünya'ya çekildiğimiz; ikincisinin toza dönüşmediği; yıldızların hareketleri; jeolojik evrimine katılan, yerkabuğunda yarattığı kuvvetler; gelgitler, vb.). Bununla birlikte, genel görelilik bağlamında , yerçekimi kuvveti bir kuvvet değil, uzay-zamanın madde tarafından eğriliğinin sonucudur . Son olarak, elektromanyetik kuvvet genellikle kimya (kimyasal reaksiyonlar), fiziko-kimya (belirli malzemelerin sertliği, maddenin sıvı, katı veya gaz hali), triboloji (sürtünme), optik (davranış ) tarafından tanımlanan birçok fenomene müdahale eden tek etkileşimdir. ışık) ve elektrik ve/veya manyetizma ile ilgili tüm fenomenler ( elektrik motorları ve alternatörler, radyo dalgaları , mikrodalga fırınlar, vb.).

Bazı güçlü yön örnekleri

Bir cismin hızlanmasına veya deformasyonuna neden olan fenomenler çok çeşitlidir, bu nedenle çeşitli kuvvet türleri ayırt edilir, ancak hepsi aynı nesne tarafından modellenir: kuvvet vektörü. Örneğin, kuvvetleri hareket mesafelerine göre sınıflandırabiliriz:

elastik kuvvetler

En basit elastik deformasyon durumunda, bir yayın ekseninde orta derecede uzaması veya sıkışması , bağıl uzama ile orantılı bir kuvvet oluşturur, yani:

burada k, yayın sertliği sabittir ve x uzamasını (son uzunluğu eksi başlangıç uzunluğu ;, birim vektör mobil ucuna doğru yay eklenme noktasından yönlendirilmiştir). Katıların deformasyonu sürekli ortam mekaniği (CMM) ile incelenir .

Basınçlar

Bir yüzeye bir kuvvet uygulandığında, kuvvetin yüzeye göre dağılımını düşünmek bazen ilginçtir. Örneğin, bir böceği tahtaya sürerseniz, kuvvet çok küçük bir alana (noktanın sonu) dağıldığı için böcek batar; sadece parmağınızla bastırırsanız, kuvvet geniş bir alana (parmağın ucuna) dağıldığı için parmak tahtaya batmaz. Bu tür bir çalışma için kuvvetin yoğunluğunu, uygulandığı yüzeye böleriz, bu basınçtır . Güçlü bir malzeme içinde bu basınca stres (stres) denir .

Tanım olarak, p basıncı şu değere eşittir :

veya:

çekirdek kuvvetler

Yönü herhangi bir zamanda çalışma referans çerçevesinde kuvvet merkezi olarak adlandırılan sabit bir O noktasından geçiyorsa, bir kuvvetin merkezi olduğu söylenir . Çoğu zaman, bu tür kuvvetler tutucudur , ancak iki kavramı ayırt etmek yararlıdır. Bu nedenle, bir nokta cismin diğerine uyguladığı yerçekimi kuvveti merkezi VE korunumluyken, basit sarkaç için telin gerilimi merkezidir (her zaman telin bağlantı noktasından geçer), ancak korunumlu DEĞİLDİR. Tamamen merkezi bir kuvvetin etkisi altındaki hareketin önemli bir özelliği , sistemin kuvvet merkezine göre açısal momentumunun korunmasıdır.

muhafazakar kuvvetler

Bazı kuvvetler bir potansiyelden türetilebilir , bu durumda bir enerjide homojen bir U alanı vardır, öyle ki ortaya çıkan kuvvet aşağıdaki biçimde yazılabilir:

.

Bu tür güçler muhafazakardır .

hacim kuvvetleri

Ağırlık gibi cismin bütününe uygulanan kuvvetler vardır, bu kuvvetlere hacimsel denir. Tür kuvvetlerin etkisi, tek bir kuvvetin uygulanması ile eşdeğer olduğunu, deforme olmayan katı maddeler durumunda, gösterilmiştir ağırlık merkezinden , aynı zamanda “ağırlık merkezi” ya da “merkezi“kütle merkezi”olarak geçer gövdenin yerçekimi”. 'atalet'.

Kuvvet ve Lagrange

Gelen Lagrange mekanik biz ile gösterdiği takdirde, L ( q , q ' ), sistemin Lagrange q pozisyonu ve q sisteminin hızı elde ederiz:

.

F'nin genelleştirilmiş bir kuvvet olduğuna dikkat edin : genelleştirilmiş koordinat q bir Kartezyen koordinat ise (metre cinsinden ifade edilir ) kuvvet (terimin olağan anlamında ), ancak q açısal bir koordinat ise kuvvet momenti (radyan olarak ifade edilir).

Güç, iş ve enerji

Enerji belirli bir mesafe boyunca bir kuvvet hareketiyle birlikte adlandırılır çalışma .

Fizikte, kuvvet ve enerji, fenomenleri modellemenin iki farklı yoludur. Duruma bağlı olarak, bir veya diğer ifade tercih edilir. Örneğin, bir cismin düşüşünü Newton yasalarını kullanarak kuvvetlerle, özellikle ikincisi ( hızlanma kuvvetle orantılı ve kütleyle ters orantılıdır ) veya enerjilerle ( yerçekimi potansiyel enerjisinin azalması) ele alabiliriz. kinetik enerjideki artışa eşittir ).

Bir kuvvet, uygulama noktası hareket ettiğinde çalışır (veya iş yapar). Sabit bir kuvvet durumunda, W (F) olarak belirtilen bir kuvvetin işinin değeri, kuvvet vektörünün yer değiştirme vektörü ile skaler çarpımına eşittir.

Bir kuvveti ölçmek

Bir kuvveti ölçmek için kullanılan tüm cihazlar, çalışma prensiplerinde Newton'un üçüncü yasasına  : fikir, dengeye ulaşmak için ölçülecek kuvvete karşı olması gereken gerekli çabayı belirlemektir.

Ağırlık özel durumunda, ölçülecek ağırlığı bilinen bir kütlenin ağırlığı ile karşılaştıran bir terazi kullanılabilir .

Diğer durumlarda, genellikle, k sertliği bilinen ve bir ucu sabit bir noktaya tutturulmuş bir yaydan oluşan bir dinamometre kullanılır . Ölçülecek kuvvet yayın diğer ucuna uygulanarak yayın uzunluğundaki Δ l değişimi ölçülür . Yukarıda gördüğümüz bağıntı ile ondan F kuvvetini çıkarıyoruz :

.

Uzunluk Δ ölçümü l genellikle bir mukayese yapılır. F kuvveti Δ l ile doğru orantılı olduğundan , karşılaştırıcının kadranını metre yerine Newton olarak derecelendirmek yeterlidir .

Ölçülecek kuvvet önemli olduğunda, "yay" olarak büyük bir çubuk kullanılabilir ( bkz . Hooke yasası ). Elastik deformasyon çubuğunun sonra ölçülür ekstensometre (ya da şekil değiştirme ölçer ); genellikle çubuğa yapıştırılmış bir zig-zag teldir ve elektrik direnci nispi uzama ile değişir.

Notlar

  1. Kuvvet Kavramı Üzerine , Walter Noll, 2007

Şuna da bakın:

İlgili Makaleler

Dış bağlantılar

<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">