Sila

(Preusmjereno sa Sila (fizika))
Disambig.svg Ovo je glavno značenje pojma Sila. Za druga značenja, v. Sila (razvrstavanje).

U fizici, sila je bilo kakva interakcija koja će promjeniti kretanje ili oblika tijela.[1][2] Sila se može opisati i intuitivnim konceptima kao što su guranje i povlačenje. Polazište za razumijevanje djelovanja sila čine Newtonovi zakoni gibanja.[3]

Sila
Force examples.svg
Sile se opisuju i kao guranje ili povlačenje objekta. One mogu biti rezultat pojava kao što su gravitacija, magnetizam, ili bilo čega što može dovesti do ubrzanja mase.
Opći simboli F, F
SI jedinica njutn
U osnovnim jedinicama 1 kg·m/s2
Izvođenja iz
drugih veličina
F = m a

Sila ima i jačinu i smjer, što je čini vektorskom veličinom. Mjeri se u njutnima (SI jedinica) i predstavlja se simbolom .

Fizika 20. stoljeća pokazala je da se sve sile u prirodi mogu svesti na četiri osnovne sile koje djeluju na elementarne čestice. Analizom interakcija na toj razini bavi se fizika elementarnih čestica. Nasuprot tome, klasična mehanika promatra djelovanje sila na makroskopska tijela.

Zbrajanje silaUredi

 
Zbrajanje sila

Iako se vektorski račun razvijao tek u 18. i 19. stoljeću, postupak zbrajanja sila po pravilu paralelograma bio je navodno poznat još u antičko doba, a eksplicitno ga spominju i Galileo i Newton.[4][5] Na skici desno prikazano je zbrajanje sila   i   . Sile su prikazane kao usmjerene dužine: strelica označava smjer sile, a duljina usmjerene dužine proporcionalna je iznosu sile. Zbroj   tih dviju sila nacrtan je kao dijagonala paralelograma (lijevi dio skice), što je i intuitivno razumljivo: da bi sila   opisala zajednički učinak tih sila, njezin smjer mora biti bliže smjeru veće sile   , a iznos veći od iznosa   jer i   pomaže vući u tome "općem" smjeru. Pravilo paralelograma daje precizan rezultat, koji se na temelju skice može točno izračunati pomoću elementarne trigonometrije.

Umjesto po paralelogramu, isti rezultat može se dobiti "nadovezivanjem" (desni dio skice), pri čemu je svejedno koja se usmjerena dužina premjesti (nadoveže) na kraj one druge. To mogućuje jednostavnije zbrajanje većeg broja sila (nadovezuju se jedna na drugu, a zbroj je usmjerena dužina koja "ide" od početka prve do kraja zadnje). U donjem dijelu skice ilustrirano je zbrajanje nadovezivanjem za sile koje su u istom i u suprotnom smjeru.

Rastavljanje sile na komponente je obrnuti postupak od zbrajanja. Za paralelogram sila sa skice može se smatrati i da prikazuje rastav sile   na komponente   i   (ako se polazi od poznate sile  ). Rastavljanje sila na komponente često je potrebno za razumijevanje njihova učinka i reakcije okoline, a i znatno olakšava račun.

Međudjelovanje silaUredi

 
Kotrljanje kugle niz kosinu

Za ilustraciju međudjelovanja sila, na skici desno prikazano je kotrljanje kugle niz kosinu (uz najjednostavnije modeliranje sila). Zemlja privlači kuglu silom   (to je težina kugle). Kugla se ne može gibati u tome smjeru jer se nalazi na podlozi, pa pritišće podlogu (sila pritiska je jednaka komponenti težine koja je okomita na podlogu). Podloga na pritisak uzvraća silom   koja se naziva normalnom reakcijom podloge. Zbroj težine i normalne reakcije je sila koja ubrzava kuglu niz kosinu; ta sila je zapravo komponenta težine koja je paralelna s podlogom. No, njoj se protivi trenje   koje umanjuje translacijsko ubrzanje kugle niz kosinu, ali zato kugli daje kutno ubrzanje, pa se kugla kotrlja bez proklizavanja (što je usklađena istovremena rotacija i translacija).

Iako to nije nužno za proračun gibanja, u detaljnijoj analizi moglo bi se promatrati kako na mjestu kontakta deformira se podloga (a i sama kugla) zbog sila kojima međusobno djeluju.

Djelovanje sile na česticuUredi

Čestica je u klasičnoj mehanici komadić materije vrlo malih dimenzinja, čiji položaj možemo dobro opisati samo jednom točkom. Kad sila djeluje na česticu, ona djeluje upravo u toj točki. Sila čestici daje ubrzanje (što je opisano drugim Newtonovim zakonom). Ako na česticu djeluje više sila, njezino ubrzanje se računa pomoću ukupne sile koja se dobije vektorskim zbrajanjem sila.

Djelovanje sile na tijeloUredi

Klasična mehanika
 
drugi Newtonov zakon
povijest klasične mehanike
kronologija klasične mehanike

Tijelo se u klasičnoj mehanici može opisati kao skup ogromnog broja međusobno povezanih čestica (pri čemu je svejedno da li su to atomi, molekule ili neke "apstraktne" čestice). Sile kojima okolina djeluje na tijelo nazvaju se vanjskim silama. Kad vanjska sila djeluje na tijelo, ona može zahvatiti veći ili manji broj njegovih čestica, a njezino djelovanje prenosi se na druge čestice tijela zahvaljujući vezama među česticama. Te unutarnje veze su također sile, koje se nazivaju unutarnjim silama.

Djelovanje vanjske sile može imati nekoliko učinaka na slobodno tijelo:

  1. Neovisno o tome kako i gdje zahvaća tijelo, sila daje ubrzanje njegovom centru masa kako je opisano drugim Newtonovim zakonom.
  2. Sila može tijelu davati i kutno ubrzanje, što ovisi o tome gdje sila zahvaća tijelo. Slobodno tijelo neće dobivati kutno ubrzanje samo kada pravac rezultantne sile prolazi kroz njegov centar masa.
  3. Sila može izazvati promjenu oblika (deformaciju) tijela koja se sastoji od promjene udaljenosti među česticama tijela. Ako sila na isti način djeluje na svaku od čestica tijela (kao npr. homogeno gravitacijsko polje), neće izazvati nikakvu deformaciju. No, ako sila zahvaća samo dio tijela, ona uvijek izaziva izvjesnu deformaciju; pritom se, u najgrubljoj podjeli, mogu razlikovati sljedeći slučajevi:
  • Deformacija je neznatna ili se praktično ne opaža ili je zanemariva u promatranom kontekstu. Tada se kaže da je to tijelo kruto tijelo. (Model krutog tijela je najjednostavnija aproksimacija pomoću koje počinje svako tumačenje djelovanja sila na tijelo.)
  • Deformacija je elastična: promjeni oblika opiru se unutarnje sile koje tijelo mogu vratiti u prvobitni oblik nakon prestanka djelovanja vanjske sile.
  • Deformacija je plastična: promjena oblika je nepovratna jer je deformacija premašila granice elastičnosti materijala (a daljnje deformiranje može uzrokovati kidanje tijela).

Detaljnijim proučavanjem deformacija bave se različite discipline kao što su nauka o čvrstoći, teorija elastičnosti, mehanika kontakta itd. Deformacije najčešće izazivaju sile koje djeluju na mjestu dodira dvaju tijela (kontaktne sile). Ako dodir zahvaća značajan dio površine tijela, za kontaktne sile se koristi i naziv površinske sile i često se opisuju pomoću tlaka (prosječni tlak je omjer površinske sile pritiska i površine na koju ona djeluje).[6]

Djelovanje sile na kruto tijeloUredi

Glavni članak: Kruto tijelo

Budući da nema deformacija, učinak sile na kruto tijelo svodi se na ubrzanje njegova centra masa te na eventualno kutno ubrzanje tijela. Ako na tijelo djeluje više sila, njih je dovoljno samo vektorski zbrojiti da bi se ubrzanje centra masa izračunalo pomoću ukupne sile. No, za kutno ubrzanje treba izračunati i momente tih sila.[7]

Ako tijelo nije slobodno, kaže se da je vezano. To znači da je u kontaktu s nepomičnom okolinom, koji može biti ostvaren na više različitih načina: npr. oslanja se na podlogu (u koju ne može prodirati nego samo klizati po njoj), ili je postavljeno na čvrstu osovinu (koju ne može pomaknuti nego samo rotirati oko nje) itd. Vanjskim silama koje pokušavaju ubrzati tijelo (aktivne sile) suprotstavljaju se reakcije veza, koje ograničavaju ili sprečavaju njihov učinak. Da bi se odredila promjena gibanja tijela, treba zbrojiti aktivne i reaktivne sile i njihove momente.

Vrste silaUredi

  • Kontaktne - rezultat su fizičkog dodira dvaju tijela. Djelovanje neke kontaktne sile se prenosi mijenjanjem međumolekulskih razmaka u strukturi tvari. Postoji više vrsta kontaktnih sila:
    • aktivne - npr. sila kojom reket udara tenisku lopticu
    • reaktivne - npr. sila kojom podloga djeluje na tijela koja se na njoj nalaze
    • vanjske - sve kontaktne sile koje na neki sistem djeluju izvana
    • unutarnje - sile međudjelovanja elemenata unutar nekog sistema, npr. naprezanje u materijalu
  • Volumenske (masene) - vezane su uz postojanje polja sila u nekom prostoru. One ne djeluju neposredno na neki dio tijela, a na ostale dijelove posredno, već istovremeno djeluju na sve čestice tijela, tj. prožimaju ga u njegovom cijelom volumenu. U ovu vrstu sila spadaju elektromagnetske, gravitacijska, inercijalne sile. Elektromagnetske i gravitacijske sile su uvijek aktivne sile, dok su inercijalne sile svojevrsna analogija reakcijskih sila s obzirom na to da su reakcija na promjenu stanja gibanja. Informacija o izvoru koji stvara neko polje sila se prostorom širi brzinom svjetlosti.

Osnovne sileUredi

Glavni članak: Osnovne sile

Četiri vrste fundamentalnih interakcija su:

  1. Gravitacijska sila,
  2. Elektromagnetska sila,
  3. Slaba nuklearna sila,
  4. Jaka nuklearna sila.

Prve dvije su odavno poznate i lako se opažaju i na velikim udaljenostima. Druge dvije se opažaju samo na malim udaljenostima, otprilike u razmjerima atomske jezgre, otkrivene su tek u prošlom stoljeću. Jaka nuklearna sila snažno djeluje među kvarkovima – česticama od kakvih su građeni protoni i neutroni – pa dakle i među protonima i neutronima. Slaba djeluje među kvarkovima i leptonima (od kojih je opće poznat samo elektron) pa se opaža npr. kod beta radioaktivnog raspada.

Do prije par stoljeća električna i magnetska sila promatrane su kao posve nezavisne sile. Tek su u 19. stoljeću do kraja opisane veze među njima, i postalo je jasno da se radi o različitim manifestacijama jedne iste sile. Na sličan način, povezane su sredinom 20. stoljeća elektromagnetska i slaba nuklearna sila, te je uveden i zajednički naziv elektroslaba sila. Od tada se istražuje mogućnost da su sve četiri sile zapravo samo različite manifestacije jedne univerzalne kozmičke sile. Danas je općenito prihvaćena teorija da sve osim gravitacije doista imaju zajedničko ishodište. Gravitacijska se sila od ostalih izdvaja svojom specifičnom prirodom koju je otkrila opća teorija relativnosti.[8]

Ne može se isključiti mogućnost postojanja i drugih vrsta sila koje ljudi još nisu opazili. Neke alternativne ili hipotetičke opcije pod nazivom peta sila spominju se u posljednje vrijeme u različitim kontekstima, npr. tumačenja tamne energije ili sudara ubrzanih čestica.[9]

IzvoriUredi

  1. Nave, C. R. (2014). "Force". Dept. of Physics and Astronomy, Georgia State University. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/force.html. Pristupljeno 15. august 2014. 
  2. Nave, C. R. (2014). "Force". Dept. of Physics and Astronomy, Georgia State University. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/force.html. Pristupljeno 15 August 2014. 
  3. Newton, Isaac (1999). The Principia Mathematical Principles of Natural Philosophy. Berkeley: University of California Press. ISBN 0-520-08817-4.  This is a recent translation into English by I. Bernard Cohen and Anne Whitman, with help from Julia Budenz.
  4. Michael J. Crowe, A History of Vector Analysis: The Evolution of the Idea of a Vectorial System, University of Notre Dame Press, Notre Dame, Indiana (1967)
  5. Howland, R. A. (2006). Intermediate dynamics a linear algebraic approach (Online-Ausg. izd.). New York: Springer. str. 255–256. ISBN 9780387280592. 
  6. Krešimir T. Herman, Teorija elastičnosti i plastičnosti, Element, Zagreb (2008)
  7. Davorin Bazjanac, Tehnička mehanika III dio: Dinamika, Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb (1974)
  8. DiSalle, Robert (2002-03-30). "Space and Time: Inertial Frames". Stanford Encyclopedia of Philosophy. http://plato.stanford.edu/entries/spacetime-iframes/. Pristupljeno 2008-03-24. 
  9. Fermilab Today, 12. 05. 2011.

Vidite jošUredi

Vanjske vezeUredi