פיזיקה כמדע החוקר את חוקי היקום שלנו, משתמש במתודולוגיית מחקר סטנדרטית ובמערכת מסוימת של יחידות מדידה. יחידת הכוח מכונה בדרך כלל N (ניוטון). מהו חוזק, איך למצוא ולמדוד אותו? בוא נחקור את הנושא הזה ביתר פירוט.
מעניין מההיסטוריה
אייזק ניוטון הוא מדען אנגלי מצטיין מהמאה ה-17 שתרם תרומה שלא תסולא בפז לפיתוח המדעים המתמטיים המדויקים. הוא זה שהוא האב הקדום של הפיזיקה הקלאסית. הוא הצליח לתאר את החוקים השולטים הן בגרמי שמימיים עצומים והן בגרגרי חול קטנים הנסחפים ברוח. אחת התגליות המרכזיות שלו היא חוק הכבידה האוניברסלית ושלושת חוקי היסוד של המכניקה המתארים את האינטראקציה של גופים בטבע. מאוחר יותר, מדענים אחרים הצליחו לגזור את חוקי החיכוך, המנוחה וההחלקה רק הודות לתגליותיו המדעיות של אייזק ניוטון.
קצת תיאוריה
כמות פיזיקלית נקראה על שם מדען. ניוטון הוא יחידת כוח. ניתן לתאר את עצם ההגדרה של כוח כך: "כוח הוא מדד כמותי של האינטראקציה בין גופים, או כמות,מה שמאפיין את מידת העוצמה או המתח של גופים."
כוח נמדד בניוטון מסיבה כלשהי. המדען הזה הוא שיצר שלושה חוקי "כוח" בלתי מעורערים שרלוונטיים עד היום. בואו נלמד אותם עם דוגמאות.
חוק ראשון
להבנה מלאה של השאלות: "מהו ניוטון?", "יחידת המידה של מה?" ו"מה המשמעות הפיזית שלו?", כדאי ללמוד היטב את שלושת חוקי היסוד של המכניקה.
הראשון אומר שאם הגוף לא מושפע מגופים אחרים, אז הוא יהיה במנוחה. ואם הגוף היה בתנועה, אז בהעדר כל פעולה עליו, הוא ימשיך את תנועתו האחידה בקו ישר.
דמיין שספר מסוים בעל מסה מסוימת מונח על משטח שולחן שטוח. בציון כל הכוחות הפועלים עליו, נקבל שזהו כוח הכבידה, המופנה אנכית כלפי מטה, וכוח התגובה של התמיכה (במקרה זה, הטבלה), המכוון אנכית כלפי מעלה. מכיוון ששני הכוחות מאזנים זה את פעולותיו של זה, גודל הכוח הנוצר הוא אפס. לפי החוק הראשון של ניוטון, זו הסיבה לכך שהספר נמצא במנוחה.
חוק שני
זה מתאר את הקשר בין הכוח הפועל על גוף לבין התאוצה שהוא מקבל עקב הכוח המופעל. אייזק ניוטון, כשניסח חוק זה, היה הראשון שהשתמש בערך הקבוע של המסה כמדד לביטוי האינרציה והאינרציה של הגוף. הם קוראים אינרציההיכולת או רכושם של גופים לשמור על מיקומם המקורי, כלומר להתנגד להשפעות חיצוניות.
החוק השני מתואר לעתים קרובות בנוסחה הבאה: F=am; כאשר F הוא התוצאה של כל הכוחות המופעלים על הגוף, a היא התאוצה שמקבל הגוף, ו-m היא מסת הגוף. כוח מתבטא בסופו של דבר ב-kgm/s2 . ביטוי זה מסומן בדרך כלל בניוטון.
מהו ניוטון בפיזיקה, מהי ההגדרה של תאוצה ואיך היא קשורה לכוח? על שאלות אלו עונה הנוסחה של החוק השני של המכניקה. צריך להבין שהחוק הזה עובד רק עבור אותם גופים שנעים במהירויות הרבה פחות ממהירות האור. במהירויות קרובות למהירות האור פועלים חוקים מעט שונים, שהותאמו על ידי קטע מיוחד בפיזיקה על תורת היחסות.
החוק השלישי של ניוטון
זהו אולי החוק המובן והפשוט ביותר שמתאר את האינטראקציה של שני גופים. הוא אומר שכל הכוחות נוצרים בזוגות, כלומר אם גוף אחד פועל על גוף אחר בכוח מסוים, אז הגוף השני, בתורו, פועל גם על הראשון בכוח שווה.
עצם ניסוח החוק על ידי מדענים הוא כדלקמן: "… האינטראקציות של שני גופים זה על זה שוות זה לזה, אך מכוונות לכיוונים מנוגדים."
בואו נבין מה זה ניוטון. לפיזיקה, נהוג לשקול הכל על תופעות ספציפיות, אם כןהנה כמה דוגמאות המתארות את חוקי המכניקה.
- עופות מים כמו ברווזים, דגים או צפרדעים נעים במים או דרך המים בדיוק על ידי אינטראקציה איתם. החוק השלישי של ניוטון אומר שכאשר גוף אחד פועל על אחר, תמיד מתעוררת פעולת נגד, ששקולה בעוצמתה לראשון, אך מכוונת לכיוון ההפוך. על סמך זה ניתן להסיק שתנועת הברווזים מתרחשת בשל העובדה שהם דוחפים את המים לאחור עם כפותיהם, והם עצמם שוחים קדימה עקב תגובת המים.
- גלגל הסנאי הוא דוגמה מצוינת להוכחת החוק השלישי של ניוטון. כולם בטח יודעים מה זה גלגל סנאי. זהו עיצוב פשוט למדי, המזכיר גם גלגל וגם תוף. הוא מותקן בכלובים כך שחיות מחמד כמו סנאים או חולדות דקורטיביות יכולות להתרוצץ. האינטראקציה של שני גופים, הגלגל והחיה, גורמת לשני הגופים הללו לנוע. יתרה מכך, כשהסנאי רץ מהר, אז הגלגל מסתובב במהירות גבוהה, וכשהוא מאט, הגלגל מתחיל להסתובב לאט יותר. זה שוב מוכיח שפעולה ופעולה נגדית תמיד שוות זו לזו, למרות שהן מכוונות לכיוונים מנוגדים.
- כל מה שזז על הפלנטה שלנו זז רק בגלל "פעולת התגובה" של כדור הארץ. זה אולי נראה מוזר, אבל למעשה, בהליכה, אנחנו רק מפעילים מאמץ כדי לדחוף את הקרקע או כל משטח אחר. ואנחנו מתקדמים, כי כדור הארץ דוחף אותנו בתגובה.
מהו ניוטון: יחידת מדידה אוכמות פיזית?
ניתן לתאר את עצם ההגדרה של "ניוטון" כך: "זה יחידת כוח". אבל מה המשמעות הפיזית שלו? אז, בהתבסס על החוק השני של ניוטון, זוהי כמות נגזרת, המוגדרת ככוח המסוגל לשנות את מהירותו של גוף עם מסה של 1 ק"ג על 1 מ' לשנייה בשנייה אחת בלבד. מסתבר שהניוטון הוא כמות וקטורית, כלומר יש לו כיוון משלו. כאשר אנו מפעילים כוח על עצם, למשל, דוחפים דלת, אנו קובעים בו-זמנית את כיוון התנועה, שעל פי החוק השני, יהיה זהה לכיוון הכוח.
אם תעקבו אחר הנוסחה, יתברר ש-1 ניוטון=1 ק גm/s 2 . כאשר פותרים בעיות שונות במכניקה, לעיתים קרובות יש צורך להמיר ניוטון לכמויות אחרות. מטעמי נוחות, בעת מציאת ערכים מסוימים, מומלץ לזכור את הזהויות הבסיסיות המקשרות בין ניוטון ליחידות אחרות:
- 1 H=105 dyne (דינה היא יחידת מידה במערכת CGS);
- 1 N=0.1 kgf (קילוגרם-כוח הוא יחידת כוח במערכת ה-ICSS);
- 1 H=10 -3 sten כל גוף במשקל 1 טון).
חוק הכבידה האוניברסלית
אחת התגליות החשובות ביותר של המדען, שהפכה את הרעיון של הפלנטה שלנו, היא חוק הכבידה של ניוטון (מהו כוח הכבידה, קרא להלן). כמובן, לפניו היו ניסיונות לפענח את תעלומת המשיכהכדור הארץ. לדוגמה, יוהנס קפלר היה הראשון שהציע שלא רק לכדור הארץ יש כוח משיכה, אלא שגם הגופים עצמם מסוגלים למשוך את כדור הארץ.
עם זאת, רק ניוטון הצליח להוכיח מתמטית את הקשר בין כוח המשיכה לחוק התנועה הפלנטרית. לאחר ניסויים רבים, הבין המדען שלמעשה, לא רק כדור הארץ מושך אליו עצמים, אלא כל הגופים נמשכים זה לזה. הוא הסיק את חוק הכבידה, הקובע שכל גופים, כולל גרמי שמים, נמשכים בכוח השווה למכפלת G (קבוע כבידה) ומסות שני הגופים m1 m 2 חלקי R2 (ריבוע המרחק בין הגופים).
כל החוקים והנוסחאות שהפיק ניוטון אפשרו ליצור מודל מתמטי אינטגרלי, שעדיין משמש במחקר לא רק על פני כדור הארץ, אלא גם הרבה מעבר לכוכב הלכת שלנו.
המרה יחידה
בעת פתרון בעיות, עליך לזכור את קידומות ה-SI הסטנדרטיות, המשמשות גם ליחידות מדידה "ניוטוניות". לדוגמה, בבעיות על חפצי חלל, שבהם מסת הגופים גדולות, לעתים קרובות יש צורך לפשט ערכים גדולים לקטנים יותר. אם יתברר שהפתרון הוא 5000 N, אז יהיה נוח יותר לכתוב את התשובה בצורה של 5 kN (קילו ניוטון). יחידות כאלה הן משני סוגים: כפולות וכפולות משנה. להלן הנפוצים ביותר: 102 N=1 הקטוניוטון (hN); 103 H=1קילו ניוטון (kN); 106 N=1 מגה ניוטון (MN) ו-10-2 N=1 סנטיניוטון (cN); 10-3 N=1 milliNewton (mN); 10-9 N=1 nanoNewton (nN).
