Spēks (fizikā) — definīcija, mērvienība, pamatspēki un piemēri

Fizikā spēks ir mijiedarbība, kas izraisa objekta stumšanu vai vilkšanu noteiktā virzienā. Tā rezultātā mainās objekta momenta stāvoklis. Spēki izraisa objektu paātrinājumu, palielina objekta kopējo spiedienu, maina virzienu vai formu. Spēka spēku mēra ņūtonos (N). Fizikā ir četri pamatspēki.

Spēks vienmēr ir grūdiens, vilkme vai pagrieziens, un tas iedarbojas uz objektiem, stumjot tos uz augšu, velkot uz leju, spiežot uz sāniem vai citādi mainot to kustību vai formu.

Kas ir spēks — būtiskākās īpašības

Spēks ir vektora lielums — tam ir gan lielums (mērvienībā ņūtonos) gan virziens. Spēku parasti apzīmē ar burtu F. Ja uz ķermeni darbojas vairāki spēki vienlaikus, to iedarbība tiek iegūta kā vektoru summa (rezultējošais spēks). Ja rezultējošais spēks ir nulle, ķermenis atrodas mehāniskā līdzsvarā (nepieciešama konstante kustība bez paātrinājuma vai miers).

Newtona likumi īsumā

Pirmais likums (inercijas likums): ķermenis saglabā savu kustības stāvokli, ja nav rezultējošā spēka.
Otrais likums: rezultējošais spēks ir vienāds ar masas un paātrinājuma reizinājumu: F = m·a. Tas ļauj kvantitatīvi aprēķināt, cik lieli spēki nepieciešami, lai iegūtu dotu paātrinājumu.
Trešais likums: mijiedarbībā divi ķermeņi darbojas viens uz otru ar vienādiem un pretējiem spēkiem.

Mērvienība un piemēri

Standarta SI mērvienība spēkam ir ņūtons (N). Definīcija: 1 N = 1 kg · m/s². Piemērs: ja uz 2 kg masu iedarbojas rezultējošais spēks 6 N, tad paātrinājums būs a = F/m = 6 / 2 = 3 m/s².

Spēku veidi

Spēkus var iedalīt pēc to izcelsmes:

Saskares (kontakt) spēki: radušies tieša kontakta rezultātā, piemēram, berzes spēks, normālais spēks (spiediens pret virsmu), spriegums auklā (vilkme), bultas vai triecienspēks.
Polja (attāluma) spēki: darbojas bez tieša kontakta, piemēram, gravitācijas spēks, elektromagnētiskie spēki un stiepļu ietekme magnētiskajos laukos.

Četri pamatspēki

Fizikā tiek izdalīti četri pamatspēki. Tie ir fundamentālas mijiedarbības, no kurām izriet visas novērotās spēku formas:

Gravitācijas spēks — pievelk masas objektus vienu pret otru; nosaka planētu kustības un brīvo krišanu.
Elektromagnētiskais spēks — rada elektriskās un magnetiskās mijiedarbības, atbild par ķīmiskajām saitēm un lielāko daļu ikdienas spēku (berze, nodilums, elastība).
Vāja kodolanā mijiedarbība — svarīga elementārdaļiņu transformācijās un radioaktīvās sabrukšanas procesā.
Stipra kodolanā mijiedarbība — satur hadronus kodolā un ir atbildīga par kodola saiti starp protoniem un neitroniem.

Praktiski piemēri

Gravitācija: brīvā krišana — ķermenim uzliekoties uz Zemes, to velk uz leju ar spēku mg (m = masa, g ≈ 9,81 m/s²).
Berze: kustības palēnināšana, piemēram, automašīnas bremzējot; berzes spēks ir pretējā virzienā kustībai.
Normālais spēks: galds atbalsta grāmatu — galds rada pretspēku, kas neļauj grāmatai krist cauri.
Spriegums: virvē vilkšana — virve pārvada spēku, kas var mainīt kustības virzienu vai pārnēsāt slodzi.

Mērīšana un grafiska attēlošana

Spēku mēra ar dinamometru vai slodzes šūnu. Brīvos ķermeņu (free-body) diagrammās spēki tiek attēloti ar bultiņām: bultas garums norāda spēka lielumu, virziens — spēka virzienu. Vektoru summa (parasti ar komponentēm x un y plaknē) ļauj aprēķināt rezultējošo spēku un prognozēt kustību.

Raksturojoši likumi un vienkārši aprēķini

Lietojot otro Ņūtona likumu F = m·a, var risināt daudz praktisku uzdevumu: piemēram, ja pie 5 kg kastes grīdas virsmas virzienā darbojas horizontālais spēks 20 N un berzes spēks ir 5 N, rezultējošais spēks būs 15 N, tātad paātrinājums a = 15 / 5 = 3 m/s².

Kopsavilkums

Spēks ir fundamentāla fizikāla mijiedarbība, kas maina ķermeņu kustības stāvokli vai formu. Tas ir vektora lielums, ko mēra ņūtonos. Sapratne par spēkiem, to sadali (kontakt/attāluma), summēšanu un iedarbību ir pamatā gan klasiskiem mehānikas uzdevumiem, gan modernām fizikālām teorijām, kas apraksta pamatspēkus.

Ņūtona otrais likums

Saskaņā ar Ņūtona otro kustības likumu spēka noteikšanas formula ir šāda:

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

kur F {\displaystyle F} ir spēks,
m {\displaystyle m} ir objekta masa
un a {\displaystyle a} ir objekta paātrinājums.

Šī formula saka, ka, ja uz objektu iedarbojas spēks, tas kustas arvien ātrāk un ātrāk. Ja spēks ir vājš un objekts ir smags, tad būs nepieciešams ilgs laiks, lai ātrums ļoti pieaugtu, bet, ja spēks ir spēcīgs un objekts ir viegls, tad tas ļoti ātri kustēsies daudz ātrāk.

Svars

Gravitācija ir paātrinājums. Viss, kam ir masa, šī paātrinājuma dēļ tiek vilkts uz Zemi. Šī vilkme ir spēks, ko sauc par svaru.

Var ņemt iepriekš minēto vienādojumu un mainīt a {\displaystyle a} uz standarta gravitāciju g, tad var atrast formulu par Zemes gravitāciju:

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

kur W {\displaystyle W} $W$ ir objekta svars,
m {\displaystyle m} ir objekta masa,
un g {\displaystyle g} ir gravitācijas paātrinājums jūras līmenī. Tas ir aptuveni 9,8 m/s 2 {\displaystyle 9,8m/s^{2}}. $9.8m/s^{2}$ .

Šī formula saka, ka, zinot objekta masu, var aprēķināt, cik liels ir gravitācijas spēks, kas iedarbojas uz objektu. Lai izmantotu šo formulu, jums jāatrodas uz Zemes. Ja atrodaties uz Mēness vai citas planētas, tad varat izmantot šo formulu, bet g būs atšķirīgs.

Spēks ir vektors, tāpēc tas var būt spēcīgāks vai vājāks, un tas var būt vērsts dažādos virzienos. Gravitācija vienmēr ir vērsta uz leju, uz zemi (ja neatrodaties kosmosā).

Gravitācijas spēks

Vēl viens vienādojums, kas liecina par gravitāciju, ir šāds:

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} ir spēks; G {\displaystyle G} $G$ ir gravitācijas konstante, ko izmanto, lai parādītu, kā gravitācija paātrina objektu; m 1 {\displaystyle m_{1}} $m_{1}$ ir viena objekta masa; m 2 {\displaystyle m_{2}} $m_{2}$ ir otra objekta masa; un d {\displaystyle d} $d$ ir attālums starp objektiem.

Šo vienādojumu izmanto, lai aprēķinātu, kā Zeme pārvietojas ap Sauli un kā Mēness pārvietojas ap Zemi. To izmanto arī, lai aprēķinātu, kā pārvietojas citas planētas, zvaigznes un objekti kosmosā.

Vienādojums saka, ka, ja divi objekti ir ļoti smagi, tad starp tiem ir spēcīgs gravitācijas spēks. Ja tie ir ļoti tālu viens no otra, tad spēks ir vājāks.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir spēks?

A: Spēks ir grūdiens vai vilkme starp objektiem. Tā ir mijiedarbība, kas rodas, kad viens objekts iedarbojas uz otru, un tā iedarbībai atbilst otra objekta reakcija.

J: Kā Ņūtona trešais likums izskaidro spēkus?

A: Ņūtona trešais likums nosaka, ka darbība un reakcija ir "vienādas un pretējas" (saskaņotas). Tas nozīmē, ka tad, kad viens objekts iedarbojas uz otru, otrs objekts reaģē vienādi, bet pretēji.

J: Starp kādiem objektiem iedarbojas dažādi spēki?

A: Dažādi spēki darbojas starp dažādiem objektiem. Piemēram, gravitācija darbojas starp objektiem ar masu, piemēram, sauli un zemi, bet elektromagnētiskais spēks darbojas starp objektiem ar lādiņu, piemēram, elektroniem un atomiem.

J: Kā spēks maina objekta stāvokli?

Atbilde: Spēks maina objekta stāvokli, liekot to spiest vai vilkt noteiktā virzienā, kas maina tā impulsu, paātrina to, palielina tā kopējo spiedienu, maina tā virzienu vai formu kādā citā veidā.

J: Kā mēra spēka stiprumu?

A: Spēka spēku mēra ņūtonos (N).

J: Cik ir fizikas pamatspēku?

A: Fizikā ir četri pamatspēki.

J: Kādā veidā spēki var ietekmēt objektus?

A: Spēki var ietekmēt objektus, tos spiežot uz augšu, velkot uz leju, stumjot uz sāniem vai citādi mainot to kustību vai formu.