Siła jako przyczyna ruchu

Siła jest jednym z podstawowych pojęć w fizyce. Siły zawsze związane są jakim oddziaływaniem. Znasz pojęcie siły z życia codziennego. Wiele razy musisz użyć siły np. aby odsunąć krzesło, albo podnieść kubek z herbatą. Nieraz zapewne myślisz, że nie masz na coś siły. Na przykład na posprzątanie w pokoju. To potoczne rozumienie pojęcia siły niewiele różni się od tego z jakim mamy do czynienia w fizyce.

Jeśli chwilę pomyślisz to zauważysz intuicyjnie, że użycie siły związane jest z jakąś pracą, a im szybciej praca będzie wykonywana tym większa energia będzie potrzebna. Mówimy często, że ktoś zrobił coś energicznie, jeśli zrobił coś szybciej niż inny. Jak widzisz są to pojęcia, które są w jakiś sposób obecne w Twoim codziennym doświadczeniu. Teraz tylko trochę pomogę Ci uściślić ich znaczenie i rozumienie ich przez Ciebie.

rys. 1  Składanie wektorów sił  

rys. 2 Składanie 3 wektorów sił

Siła jako wielkość wektorowa 

W przyrodzie przyczyną ruchu ciała jest zawsze działanie jakiejś siły lub kilku sił. 
 

Wyobraź sobie, że coś ciągniesz lub pchasz. Możesz opisać tą czynność podając wielkość siły z jaką działasz (jej wartość) oraz kierunek, w którym oddziałujesz siłą na ciało. Mamy więc wielkość (wartość) przyłożonej siły oraz jej kierunek. Oznacza to, że mamy do czynienia z wektorem.

Siłę w fizyce przedstawia się z pomocą strzałki z grotem czyli wektora. Długość wektora odpowiada wielkości siły działającej wzdłuż wektora w kierunku strzałki.

Twój ciężar czyli siłę z jaką Ziemia przyciąga masę Twojego ciała można oznaczyć jako wektor skierowany pionowo w dół w kierunku środka Ziemi o długości odpowiadającej Twojemu ciężarowi.

Siłę opisujemy więc jako wektor lub jako wielokrotność pewnej siły jednostkowej.

Jeśli na ciało (rys.1) działają dwie (lub więcej) siły to wypadkową siłę, czyli jej wartość i kierunek, określamy jako złożenie – sumę wektorów sił składowych. Siły, jak wszystkie wektory, oznaczane są jako strzałki, a ich dodawanie można wykonać za pomocą klasycznej metody dodawania geometrycznego wektorów lub z użyciem odpowiednich funkcji trygonometrycznych. Zagadnienia te wyjaśniono w artykule Wektory.

Źródłem siły poruszającej samochód jest silnik, w którym spalane jest paliwo. Źródłem siły nadającej prędkość strzale wystrzeliwanej z łuku jest naprężenie jego cięciwy. Gdy pomyślisz o swoich codziennych doświadczeniach łatwo zidentyfikujesz różne siły i zrozumiesz, jak wiele sił Cię otacza. Jak wiele sił obserwujesz lub z nich korzystasz.

rys. 3  Ciężar: a) mniejszy, b) równy, c) większy   od siły wyporu

rys. 4  Siły działające na ciało na równi pochyłej

Siła i przeciw-siła 

Użycie siły zawsze związane jest z pokonaniem jakiejś innej siły.

Na ciało zanurzone w płynie (w cieczy lub w gazie) oddziałuje siłą ciężkości (wektor siły jest skierowany w dół - do środka Ziemi) oraz siła wyporu, któej wektor jest skierowany w górę (przeciwnie do siły ciężkości) i w zależności od tego jaka jest masa właściwa ciałą w stosunku do masy właściwej płynu może:

a) jeśli siła ciężkości F_g jest mniejsza niż siła wyporu F_B czyli F_g < F_B ciało pływa na powierzchni (częściowo zanurzone)

b) jeśli siła ciężkości F_g jest równa sile wyporu F_B czyli Fg = F_B ciało pływa całkowicie zanurzone 

c) jeśli siła ciężkości F_g jest większa niż siła wyporu F_B czyli F_g > F_B ciało tonie - opada na dno naczynia

Balon napełniony powietrzem jest cięższy (łącznie powłoka balonu i powietrze wewnątrz) niż ta sama objętość powietrza więc balon opada na podłogę. Natomiast balon wypełniony helem jest (łącznie) lżejszy od tej samej objętości powitrza, więc siła wyporu unosi go w górę.

Gdy podnosisz do góry kubek musisz użyć siły, aby pokonać siłę grawitacji (skierowaną w dół), której oddziaływanie związane jest z masą kubka.

Siły związane są zawsze z ruchem lub zmianą położenia albo stanu ciała. Siła jest zawsze przyczyną powodującą zapoczątkowanie ruchu, albo jego zmodyfikowanie czyli zmianę kierunku lub prędkości.

Zawsze jeśli ciało jest w ruchu działają na nie jakieś siły, a jeśli pozostaje w spoczynku to siły albo nie działają, albo się wzajemnie równoważą. Gdy samochód jedzie musi pokonać m.in. siły tarcia (także w samym silniku i całym mechnizmie przenoszenia napędu) oraz siły oporu powietrza. 

Siły działające na ciało na równi pochyłej

rys. 5 Kierunek działania sił w polu elektrycznym  

rys. 6 Kierunek działania sił w polu magnetycznym

Rodzaje i rodziny różnych SIŁ

W przyrodzie fizycy wyróżniają wiele rodzajów różnych sił, które należą do czterech różnych kategorii - nazwijmy ja rodzinami sił:

• siły przyciągania / oddziaływania grawitacyjnego występują pomiędzy ciałami mającymi masę - to siły, które powodują, że mamy styczność z Ziemią możemy się poruszać, a ludzie żyjący w Australii nie spadają z kuli ziemskiej. Siły grawitacji kierują także ruchem ciał niebieskich czyli m.in. planet i gwiazd.
• siły elektromagnetyczne, które sprawiają m.in., że działają nasze urządzenia elektryczne, przesyłamy i odbieramy programy radiowe, telewizyjne i mamy dostęp do Internetu.  
• siły jądrowe działające na odległościach porównywalnych z rozmiarami jąder atomów, siły te dzielą się na dwa rodzaje oddziaływania - siły jądrowe silne i słabe. Dzięki silnym oddziaływaniom jądrowym istnieją np. protony i neutrony. Natomiast słabe oddziaływania jądrowe (są miliard razy słabsze od silnych) związane są z radioaktywnością czyli ze zdolnością jąder atomowych do rozpadu promieniotwórczego i emisji promieniowania alfa, beta i gamma. Badanie rozpadu promieniotwórczego niektórych izotopów pierwiastków wykorzystywany jest np. w badaniach medycznych oraz w archeologii do datowania materii organicznej zawierającej atomy węgla.

Siły elektromagnetyczne

Siły oddziaływań elektromagnetycznych powodują, że w generatorach w elektrowniach różne formy energii mogą być zamieniane na energię elektryczną. Energię elektryczną poprzez siły elektromagnetyczne wykorzystujemy później w silnikach elektrycznych elektrycznych.   

Na fot. 5 widzisz działanie i kierunek działania sił w polu elektrycznym, które spowodowały przemieszczenie się drobinek kaszki manny na oleju pod wpływem napięcia ok. 4kV generowanego przez maszynę elektrostatyczną.

Natomiast na fot. 6 widzisz opiłki żelaza, które zostały przemieszczone pod wpływem działania sił pola magnetycznego, które wytwarza silny magnes stały.

Podsumowanie

Jeśli nie można wyobrazić sobie świata bez ruchu to oznacza, że nie można sobie wyobrazić świata bez działania sił !!! 

Zadanie:

Zrób listę pięciu różnych rodzajów sił jakie znasz.

tel.: 505 377 726     e-mail: kontakt@terazrozumiem.pl

NOTA PRAWNA: Zgodnie z art. 25 ust. 1 pkt 1 b) Ustawy o prawach autorskich i prawach pokrewnych (z 4 lutego 1994 r, z późn. zmianami) zastrzegam, że wszystkie materiały zamieszczone na terazrozumiem.pl są objęte prawami autorskimi, a ich dalsze rozpowszechnianie bez mojej zgody jest zabronione