המילה "כוח" היא כל כך מקיפה עד כדי כך לתת לה מושג ברור זו משימה כמעט בלתי אפשרית. המגוון מכוח השרירים ועד לחוזק הנפש אינו מכסה את כל מגוון המושגים המושקעים בו. לכוח, הנחשב כגודל פיזיקלי, יש משמעות והגדרה מוגדרות היטב. נוסחת הכוח מגדירה מודל מתמטי: תלות הכוח בפרמטרים העיקריים.
ההיסטוריה של חקר הכוח כוללת את ההגדרה של תלות בפרמטרים והוכחה ניסיונית של תלות.
כוח בפיזיקה
כוח הוא מדד לאינטראקציה של גופים. הפעולה ההדדית של גופים זה על זה מתארת במלואה את התהליכים הקשורים לשינוי במהירות או דפורמציה של גופים.
כגודל פיזיקלי, לכוח יש יחידת מדידה (במערכת SI - ניוטון) ומכשיר למדידה שלו - דינמומטר. עקרון הפעולה של מד הכוח מבוסס על השוואת הכוח הפועל על הגוף עם כוח הכוח הקפיץ של הדינמומטר.
כוח של 1 ניוטון נחשב לכוח שבו גוף בעל מסה 1 ק ג משנה את מהירותו ב-1 מ' בשנייה אחת.
כוח ככמות וקטורית מוגדר:
- כיוון הפעולה;
- נקודת יישום;
- מודול, מוחלטגודל.
בתיאור האינטראקציה, הקפד לציין את הפרמטרים האלה.
סוגי אינטראקציות טבעיות: כבידה, אלקטרומגנטית, חזקה, חלשה. כוחות כבידה (כוח הכבידה האוניברסלית עם המגוון שלו - כוח הכבידה) קיימים עקב השפעת שדות כבידה המקיפים כל גוף שיש לו מסה. חקר שדות הכבידה לא הושלם עד כה. עדיין לא ניתן למצוא את מקור השדה.
טווח גדול יותר של כוחות נובע מהאינטראקציה האלקטרומגנטית של האטומים המרכיבים את החומר.
כוח לחץ
כאשר גוף מקיים אינטראקציה עם כדור הארץ, הוא מפעיל לחץ על פני השטח. כוח הלחץ, שהנוסחה שלו היא: P=mg, נקבע על פי מסת הגוף (m). להאצת הכבידה (g) יש ערכים שונים בקווי רוחב שונים של כדור הארץ.
כוח הלחץ האנכי שווה בערכו המוחלט והפוך בכיוון לכוח האלסטיות הנוצר בתמיכה. נוסחת הכוח משתנה בהתאם לתנועת הגוף.
שינוי במשקל הגוף
פעולה של גוף על תומך עקב אינטראקציה עם כדור הארץ מכונה לעתים קרובות משקל הגוף. מעניין לציין שכמות משקל הגוף תלויה בהאצת התנועה בכיוון האנכי. במקרה שבו כיוון התאוצה מנוגד להאצת הנפילה החופשית, נצפית עלייה במשקל. אם תאוצת הגוף עולה בקנה אחד עם כיוון הנפילה החופשית, אז משקל הגוף יורד. לדוגמא, בעודו במעלית עולה, בתחילת העלייה, אדם חש עלייה במשקל לזמן מה. טען שהמסה שלומשתנה, זה לא. במקביל, אנו מפרידים בין המושגים "משקל גוף" ל"מסה" שלו.
כוח אלסטי
כאשר משנים את צורת הגוף (הדפורמציה שלו), מופיע כוח שנוטה להחזיר את הגוף לצורתו המקורית. כוח זה קיבל את השם "כוח אלסטי". היא נוצרת עקב האינטראקציה החשמלית של החלקיקים המרכיבים את הגוף.
בואו נשקול את העיוות הפשוט ביותר: מתח ודחיסה. המתח מלווה בעלייה בממדים הליניאריים של הגופים, בעוד הדחיסה מלווה בירידה שלהם. הערך המאפיין תהליכים אלו נקרא התארכות הגוף. בואו נסמן את זה ב-"x". נוסחת הכוח האלסטי קשורה ישירות להתארכות. לכל גוף הנתון לדפורמציה יש פרמטרים גיאומטריים ופיזיקליים משלו. התלות של ההתנגדות האלסטית לעיוותים בתכונות הגוף והחומר ממנו היא עשויה נקבעת לפי מקדם האלסטיות, נקרא לזה קשיחות (k).
המודל המתמטי של אינטראקציה אלסטית מתואר על ידי חוק הוק.
הכוח הנובע מהדפורמציה של הגוף מופנה נגד כיוון העקירה של חלקים בודדים של הגוף, עומד ביחס ישר להתארכותו:
- Fy=-kx (סימון וקטור).
הסימן "-" מציין את הכיוון ההפוך של עיוות וכוח.
אין סימן שלילי בצורה סקלרית. הכוח האלסטי, שלנוסחה שלו יש את הצורה הבאה Fy=kx, משמש רק לעיוותים אלסטיים.
אינטראקציה של שדה מגנטי עם זרם
השפעהשדה מגנטי לזרם ישר מתואר בחוק אמפר. במקרה זה, הכוח שבו פועל השדה המגנטי על מוליך נושא זרם המוצב בו נקרא כוח אמפר.
האינטראקציה של שדה מגנטי עם מטען חשמלי נע גורמת לביטוי כוח. כוח האמפר, שהנוסחה שלו היא F=IBlsinα, תלוי באינדוקציה המגנטית של השדה (B), באורך החלק הפעיל של המוליך (l), בעוצמת הזרם (I) במוליך ובזווית. בין כיוון הזרם והאינדוקציה המגנטית.
עקב התלות האחרונה, ניתן לטעון שהווקטור של השדה המגנטי יכול להשתנות כשמסובבים את המוליך או משתנה כיוון הזרם. כלל יד שמאל מאפשר לך לקבוע את כיוון הפעולה. אם יד שמאל ממוקמת כך שוקטור האינדוקציה המגנטי נכנס לכף היד, ארבע אצבעות מכוונות לאורך הזרם במוליך, ואז האגודל מכופף ב-90° יראה את כיוון שדה מגנטי.
השימוש באפקט זה על ידי האנושות נמצא, למשל, במנועים חשמליים. סיבוב הרוטור נגרם משדה מגנטי שנוצר על ידי אלקטרומגנט חזק. נוסחת הכוח מאפשרת לשפוט את האפשרות לשנות את כוח המנוע. עם עלייה בזרם או בחוזק השדה, המומנט גדל, וכתוצאה מכך לעלייה בהספק המנוע.
מסלולי חלקיק
האינטראקציה של שדה מגנטי עם מטען נמצא בשימוש נרחב בספקטרוגרפים מסה בחקר חלקיקים יסודיים.
פעולת השדה במקרה זה גורמת להופעת כוח שנקראכוח לורנץ. כאשר חלקיק טעון שנע במהירות מסוימת נכנס לשדה מגנטי, כוח לורנץ, שלנוסחה שלו יש את הצורה F=vBqsinα, גורם לחלקיק לנוע במעגל.
במודל מתמטי זה, v הוא מודול המהירות של חלקיק שהמטען החשמלי שלו הוא q, B הוא האינדוקציה המגנטית של השדה, α היא הזווית בין כיווני המהירות והאינדוקציה המגנטית.
החלקיק נע במעגל (או בקשת של מעגל), שכן כוח ומהירות מכוונים זה לזה בזווית של 90°. שינוי כיוון המהירות הליניארית גורם להופעת תאוצה.
הכלל של יד שמאל, שנדון לעיל, מתרחש גם כאשר לומדים את כוח לורנץ: אם יד שמאל ממוקמת כך שוקטור האינדוקציה המגנטי נכנס לכף היד, ארבע אצבעות מושטות בקו מכוונות לאורך מהירות של חלקיק טעון חיובי, ואז האגודל כפוף 90° מראה את כיוון הכוח.
בעיות פלזמה
אינטראקציה של שדה מגנטי וחומר משמשת בציקלוטונים. הבעיות הקשורות לחקר המעבדה של פלזמה אינן מאפשרות להחזיק אותה בכלים סגורים. גז מיונן מאוד יכול להתקיים רק בטמפרטורות גבוהות. ניתן לשמור את הפלזמה במקום אחד בחלל באמצעות שדות מגנטיים, סיבוב הגז בצורה של טבעת. ניתן לחקור תגובות תרמו-גרעיניות מבוקרות גם על ידי סיבוב פלזמה בטמפרטורה גבוהה לתוך נימה באמצעות שדות מגנטיים.
דוגמה לפעולה של שדה מגנטיin vivo על גז מיונן - Aurora Borealis. מחזה מלכותי זה נצפה מעבר לחוג הארקטי בגובה של 100 ק מ מעל פני כדור הארץ. ניתן היה להסביר את הזוהר הצבעוני המסתורי של הגז רק במאה ה-20. השדה המגנטי של כדור הארץ ליד הקטבים אינו יכול למנוע מרוח השמש לחדור לאטמוספירה. הקרינה הפעילה ביותר המכוונת לאורך הקווים של אינדוקציה מגנטית גורמת ליינון של האטמוספירה.
תופעות הקשורות לתנועת טעינה
באופן היסטורי, הכמות העיקרית המאפיינת את זרימת הזרם במוליך נקראת חוזק הזרם. מעניין שלמושג זה אין שום קשר לכוח בפיזיקה. חוזק הזרם, שהנוסחה שלו כוללת את המטען הזורם ליחידת זמן בחתך הרוחב של המוליך, הוא:
I=q/t, כאשר t הוא זמן זרימת הטעינה q
למעשה, החוזק הנוכחי הוא כמות הטעינה. יחידת המידה שלו היא אמפר (A), בניגוד ל-N.
קביעת עבודתו של כוח
פעולה בכוח על חומר מלווה בביצוע עבודה. עבודתו של כוח היא גודל פיזיקלי השווה מספרית למכפלת הכוח והתזוזה העוברת תחת פעולתו, ולקוסינוס הזווית בין כיווני הכוח והתזוזה.
העבודה הרצויה של הכוח, שהנוסחה שלו היא A=FScosα, כוללת את גודל הכוח.
פעולת הגוף מלווה בשינוי במהירות הגוף או דפורמציה המעידה על שינויים בו-זמניים באנרגיה. העבודה שנעשה על ידי כוח תלויה בערכים.
