Siły fizyczne

Siły fizyczne , rodzaje sił

Siła jest to wielkość, która zmienia ruchu (pęd) ciała.
Aby w jakimś momencie pojawiła się nam siła potrzebujemy przede wszystkim dwóch ciał to po pierwsze, a po drugie musi pomiędzy tymi ciałami być oddziaływanie.
Jedno ciało, nie ważne jak duże i jakie szybkie nie stanowi siły. Nie będzie ono stanowić siły nawet wówczas, gdy będzie mieć dużą prędkość czy duży pęd. Takie ciało będzie mogło zadziałać ogromną siła na inne ciało, ale w momencie gdy nie ma na co działać siła nam się nie pojawi. Zatem musimy mieć dwa ciała i wtedy one są w stanie działać na siebie.

Siła bezwładności- nie jest zwykłą siłą. Właściwie można by nawet powiedzieć, że w ogóle nie jest siłą. Bo nie wynika ona z żadnego oddziaływania między ciałami (a przecież definiowaliśmy siłę jako miarę oddziaływania). Jeszcze inaczej można by powiedzieć, że jest ona siłą pozorną.
Siła bezwładności jest efektem wynikającym z samego przyspieszenia układu odniesienia.
Jeżeli układ odniesienia porusza się ruchem przyspieszonym względem otoczenia, wtedy z jego poziomu ciała w tym otoczeniu też poruszają się ruchem przyspieszonym (tylko skierowanym przeciwnie). Wygląda to tak samo jakby działała na nie jakaś siła. I właśnie sztucznie przypisana temu ruchowi siła jest siłą bezwładności.
Jak z tego wynika:
Siła bezwładności pojawia się tylko w nieinercjalnych układach odniesienia.
Przykłady siły bezwładności
Siły bezwładności pojawiają się w różnych sytuacjach. Oto przykłady: Siła bezwładności podczas ruszania pojazdu - gdy samochód rusza do przodu siła bezwładności wciska pasażerów w fotel
Siła bezwładności podczas hamowania pojazdu - gdy samochód (lub inny pojazd) nagle hamuje, wtedy siła bezwładności rzuca pasażerem do przodu
Siła odśrodkowa - gdy siedzimy na wirującej karuzeli siła bezwładności (nazywana w tym przypadku "siłą odśrodkową") wypycha nas i przedmioty przez nas trzymane na zewnątrz okręgu.

Siła Coriolisa- siła ta jest nieco podobna do siły odśrodkowej i pojawia się, gdy opisujemy ruch ciała z poziomu obracającego się układu odniesienia
Chciałabym tu jeszcze raz podkreślić, że:
- siła odśrodkowa jest siłą bezwładności
czyli, że jest ona siłą pozorną, nie wynikającą z nowych, realnych oddziaływań.
Siłą rzeczywiście działającą na ciało jest siła dośrodkowa, która zakrzywia tor ciała zmuszając je do krążenia po okręgu, a nie poruszania się prostoliniowo. Siła dośrodkowa wynika z istnienia jakiegoś oddziaływania -np. zaczepienia na lince, tarcia, siły grawitacji.
Jeszcze jednym istotnym spostrzeżeniem na temat sił bezwładności jest to, że jeśli układ odniesienia jest związany z jakimś obiektem materialnym (pojazdem, karuzelą itp.), to każdej sile bezwładności zawsze towarzyszy jakaś siła oddziaływań, która nadaje temu obiektowi przyspieszenie. Siła ta jest przeciwna do siły bezwładności ale jej nie równoważy (są to siły zupełnie innego rodzaju i nie można ich ze sobą składać).

Siła odśrodkowa- jest siłą bezwładności. Oznacza to, że pojawia się ona tylko w układach nieinercjalnych i jest właściwie siłą pozorną - czyli nie jest powodowana konkretnym oddziaływaniem, ale wynika z ruchu samego układu odniesienia (więcej informacji na temat sił bezwładności znajduje się w rozdziale Siła bezwładności).
Jeżeli układ odniesienia porusza się z prędkością v po okręgu (względem układu inercjalnego) o promieniu R. To na każde ciało, które w tym układzie będzie opisywane, musi działać siła odśrodkowa (wzór poniżej).
Warto jednak pamiętać, że siła ta będzie „widziana” tylko z poziomu układu nieinercjalnego.
Siła odśrodkowa działa zawsze prostopadle do prędkości i jest skierowana wzdłuż promienia, na zewnątrz okręgu, po którym porusza się układ odniesienia.

Przykłady siły odśrodkowej

Karuzela
Dobrym przykładem na działanie siły odśrodkowej jest sytuacja człowieka znajdującego się w krzesełku kręcącej się karuzeli. Obserwuje on, że przedmioty trzymane w ręce mają skłonność do „uciekania” od środka obrotu karuzeli. Obserwujemy działanie siły odśrodkowej.

Wirówka
Wirowanie bielizny w bębnie pralki automatycznej, czy suszarki. Tutaj siła odśrodkowa wyciąga wodę spomiędzy porów tkanin.

Siła dośrodkowa- w fizyce siła działająca na ciało poruszające się po zakrzywionym torze, skierowana prostopadle do toru ku środkowej jego krzywizny. Na przykład, gdy ciężarek umocowany na końcu nici porusza się po okręgu koła, siłą dośrodkową jest napięcie nici. Dla ciała o masie m poruszającego się z prędkością v po okręgu o promieniu r, siła dośrodkowa ma wartość F=frac{mv^2}r i jest skierowana do środka okręgu. Reakcją na tę siłę jest działająca na więzy (nić)

Siła wyporu- siła działająca na ciało zanurzone w płynie czyli w cieczy lub gazie w obecności ciążenia. Jest skierowana pionowo do góry - przeciwnie do ciężaru. Wartość siły wyporu jest równa ciężarowi płynu wypartego przez to ciało
Siła wyporu pojawia się po zanurzeniu ciała do płynu (cieczy lub gazu). Powoduje ona, że ciało zaczyna być wypychane ku górze. Siła tego wypychania pochodzi od płynu i jest związana ze zjawiskiem ciśnienia hydro- lub aerostatycznego.
Powodem powstawania siły wyporu jest fakt, że ciśnienie w płynie zmienia się wraz z głębokością – im głębiej tym większe ciśnienie.
Większe ciśnienie na dole niż na górze powoduje, że od dołu do góry działa także większa siła parcia. W efekcie zsumowania wektorowego większej siły do góry z mniejszą do dołu powstaje sumaryczna siła skierowana do góry. Nazywa się ona właśnie siłą wyporu.
Wartość siły wyporu
Z siłą wyporu wiąże się możliwość pływania ciał.
Przykłady działania sił wyporu :


W cieczy:
a) statki pływające po powierzchni – siła wyporu równoważy siłę ciężkości
b) łodzie podwodne – statki te mają możliwość manewrowania siłą wyporu i siłą ciężkości, dzięki czemu są w stanie zanurzać się i wynurzać.

c) ryby stosują zasady takie jak łodzie podwodne

d) bąbelki pary unoszące się do góry podczas wrzenia są znacznie lżejsze od wody, więc wypływają na powierzchnię

e) lód jest lżejszy od wody, więc unosi się na jej powierzchni


Większość obiektów swobodnie pływających w wodzie ma ciężar właściwy zbliżony do ciężaru wody. Dzięki temu mogą one łatwo manewrować swoją pływalnością - wynurzać się lub zanurzać głębiej. ,
Siła wyporu słonej wody na Morzu Martwym unosi człowieka

W gazie:
a) balony, sterowce – manewrując ciężarem (balast) lub wartością siły wyporu (wypuszczanie gazu nośnego, lub zmiana jego ciężaru właściwego za pomocą podgrzewania)
b) bańki mydlane zawierające ogrzane powietrze z płuc początkowo unoszą się do góry (chyba, że otaczająca je powłoka z mydła jest zbyt ciężka).
c) ogrzana para wodna jest lekka, więc wznosi się do góry tworząc chmury. Po oziębieniu skrapla się i nabiera ciężaru (w sensie ciężaru właściwego), co powoduje, że ostatecznie spada w postaci deszczu.

Siła tarcia
Tarciem nazywa się zjawisko powstawania i działania siły mechanicznej rozpraszającej energię ( tzw. siła dyssypatywna).Siła tarcia działa stycznie do powierzchni styku dwóch ciał. Przeciwstawia się ona ruchowi.
Jeżeli mówi się o sile tarcia w przypadku nieruchomych przedmiotów, wtedy jest to tarcie statyczne. Tarcie to jest proporcjonalne do siły nacisku jednego ciała na drugie, natomiast nie zależy od rozmiarów powierzchni styku.
Z tarciem statycznym mamy do czynienia, gdy np. chcemy wprawić w ruch zeszyt leżący na stole. Na początku, gdy przykładana przez nas siła będzie za mała aby nadać ciału prędkość zeszyt pozostanie nieruchomy. Dopiero gdy przykładana siła przewyższy siłę tarcia zeszyt poruszy się. Im powierzchnia stołu będzie gładsza tym łatwiej będzie to osiągnąć.
Z poruszającymi się ciałami związane jest natomiast tarcie kinetyczne, które będzie przeciwstawiało się ruchowi.
Zjawisko tarcia odgrywa ogromną rolę w życiu codziennym każdego człowieka. Bez tarcia nie byłoby możliwe chodzenie czy jazda samochodem. Każdy z nas wie jak trudne jest chodzenie po lodzie, gdy tarcie jest zminimalizowane.
Aby zapobiegać poślizgom pojazdów mechanicznych, zarówno opony jak i powierzchnie dróg robione są z szorstkich materiałów. Powoduje to zwiększenie siły tarcia między tymi dwoma powierzchniami.
Ale niestety zjawisko tarcia w wielu przypadkach zdecydowanie bardziej przeszkadza niż pomaga. Tarcie powoduje zużywanie się powierzchni trących dlatego niejednokrotnie dąży się do jego zminimalizowania. I tak np. w wielu urządzeniach między ruchomymi elementami używa się smary lub tzw. łożyska kulkowe.
Być może również zjawisko tarcia przyczyniło się do wymyślenia koła, wiadomo bowiem, że dużo łatwiej jest toczyć duże przedmioty niż przesuwać je po powierzchni ziemi.
W przypadku tarcia między powierzchnią ciała a cząsteczkami powietrza mówi się o tzw. siłach oporu powietrza. Im bardziej opływowy (aerodynamiczny) kształt ma ciało tym te siły są mniejsze. Zjawisko to uwzględnia się m.in. przy konstrukcji samolotów czy samochodów.

Siła grawitacji
Jedną z podstawowych sił działających w przyrodzie jest grawitacja. Siłę tę, w przeciwieństwie na przykład do oddziaływań jądrowych, można bardzo łatwo zaobserwować. Na przykład dojrzałe jabłka stają się coraz cięższe. W pewnym momencie są już na tyle duże, że siła ciężkości odrywa je od drzewa i spadają na Ziemię. Podobnie wygląda sprawa z rzucaniem piłki. Jeśli rzucimy ją do góry, w pewnym momencie zatrzyma się i zacznie spadać w dół.
Z działania siły grawitacji nie zdajemy sobie sprawy, choć w każdym momencie ją odczuwamy. Jest to siła grawitacji Ziemi, tak zwane przyciąganie Ziemskie lub siła ciężkości. Jest to właściwość wszystkich cząstek, które posiadają masą. Właśnie grawitacje jest jedyną siłą, zdolną utrzymać w całości Układ Słoneczny czy cały wszechświat.
Bardzo intuicyjne wydaje się, że im cięższy jest przedmiot, tym szybciej powinien on spadać. Przez wiele tysiącleci uczeni byli przekonani, że tak właśnie jest. Pierwszym, który zdał sobie sprawę z błędności tego poglądu był Galileusz. Według legendy wykonywał on pokazy, zrzucając ze szczytu krzywej wieży w Pizie przedmioty. Spuszczał na dół dwa ciężarki, lekki i ciężki, i udowadniał, że spadają w tym samym czasie. To doświadczenie Galileusza było pierwszym dowodem na to, że na wszystkie ciała działa taka sama siła ciężkości, choć wtedy takie pojęcie nie było jeszcze znane. Galileusz nie mógł zmierzyć, z jakim przyspieszeniem porusza się ciało. Gdyby mu się to udało, odkryłby, że rzucane przez niego ciężarki poruszały się z przyspieszeniem równym około 9,8 m/s2. Takie niezwykłe zjawisko zostało wytłumaczone później przez Newtona.
Czasami wydaje się, że nie jest to prawda, ponieważ jeżeli puścimy swobodnie piórko lub kawałek kartki, to spadnie ona znacznie wolniej niż kamyk. Jeżeli jednak przeprowadzimy to doświadczenie w tubach próżniowych, to przekonamy się, że jeżeli nie ma powietrza, piórko i kamyk spadają z takim samym przyspieszeniem. Sugeruje to, że oprócz siły ciążenia na ciała może też działać jakaś inna siła, która przeciwdziała ich ruchowi. Ogólnie siłę taką nazywa się oporem. W przypadku piórka jest to opór powietrza, wynikający z tego, że powietrze, choć dla nas bardzo rzadkie, dla niektórych ciał może być wystarczająco gęste, aby stawiać opór. Im bardziej gęste jest ciało, tym mniejszy opór jest mu w stanie stawić powietrze.