Como a força é transmitida em um corpo?
Então estou aprendendo sobre vários tópicos como física, como máquinas simples, centro de massa, momentum, conservação de energia, equilíbrio, mas quanto mais estudo esses conceitos de nível "superior", mais percebo que não entendo o conceito básico de força . Especialmente, graduando-me do modelo simplista de ver objetos como partículas pontuais para agora examiná-los como objetos com dimensões espaciais (seja simétrico ou não), tenho problemas para conceituar como (ou mesmo se) a força é transmitida através do corpo de objeto quando é especificamente exercido apenas através de um lado do corpo.
Eu sei que a força mecânica é possível b / c de razões eletromagnéticas, então, vamos supor, se eu tenho um objeto que é grande e cúbico e acontece de empurrar esse objeto com minha mão tocando o objeto em apenas uma área (que é a área do objeto que minha mão cobre), posso supor que a força que exerce sobre apenas uma determinada área viajará para alcançar / influenciar todos os outros átomos que constituem o objeto, não importa a distância do ponto exato de contato? Ou a força ficará mais fraca quanto mais distantes outras áreas do objeto estiverem do ponto de contato? Se esta maneira de pensar sobre a força na física é correta ou falha?
Essa confusão começa a me incomodar especificamente quando eu alcanço aqueles outros conceitos como máquinas simples, equilíbrio estático, torque quando há vários objetos separados que estão em contato uns com os outros (como em uma alavanca onde você tem objetos separados como fulcro, alavanca, aterrar todos tocando uns aos outros ou em equilíbrio estático, você tem coisas como parede, viga, terra, todos se tocando) e agora estou tendo problemas para pensar como os diagramas de força funcionam ou por que um objeto quebra sob tensão ou como máquinas simples fornecem vantagem mecânica ou como o torque é possível etc ... Então, se alguém puder dar sua visão sobre este problema, ficaria muito grato. Obrigado.
Respostas
A resposta depende do material do corpo sobre o qual você está aplicando força.
Se for um corpo rígido , sua forma é, por definição, constante. Supondo aqui, para simplificar, que seu vetor de força passe pelo COM, de modo que não haja nenhum torque no corpo, todas as partículas experimentarão a mesma força na direção em que você está empurrando, assim que começar a empurrar.
Se o corpo não for rígido, como uma esponja, inicialmente ele irá deprimir, pois as áreas mais próximas do ponto de aplicação receberão mais força do que outras. O corpo também irá acelerar simultaneamente na direção da força. Esta depressão continuará até que as forças restauradoras equilibrem a menor das forças nas áreas externas, até o estado estacionário, quando você vê que a esponja, embora um pouco deprimida no ponto de aplicação da força, não está mais mudando de forma. No estado estacionário, a força em todas as partículas é novamente igual.
Praticamente, nenhum corpo é verdadeiramente rígido. No entanto, na maioria dos objetos que denominamos rígidos, a depressão é imperceptível e o estado estacionário é atingido quase que instantaneamente.
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Conceituar como a força se espalha por um objeto é difícil. É por isso que eles contratam engenheiros mecânicos para analisar os resultados dos supercomputadores, simulando como essas forças se comportam. Portanto, não se preocupe se parecer difícil.
A ferramenta que usaria para dar sentido a tudo isso é a mola de suspensão de um carro. Já lidamos com eles, então é uma ferramenta útil. Se você empurrar o carro para baixo, ele tentará voltar para cima. Se você tentar puxar o carro para cima, ele puxa de volta para baixo. A mola de suspensão está estável. Se você esticar de um jeito ou de outro, ele resiste a esse estiramento.
As ligações eletrostáticas em objetos sólidos são semelhantes. Em seu estado de repouso, eles se sentam em uma configuração "natural". É o que tem menos energia armazenada. Se você empurra o objeto, os átomos na superfície são empurrados eletrostaticamente e "comprimem" as ligações por trás. Se você puxar o objeto, ele estica as amarras.
O que pode ser complicado é ver como essas forças são transmitidas. Veja este exemplo. Encontre um 2x4 decentemente longo. Coloque cada extremidade em blocos e, em seguida, fique no meio. Obviamente, a força de você empurrar o 2x4 deve ser transmitida a vários metros de cada um dos suportes. Tem que ser, ou você cairia. No entanto, a maneira como o faz não é diretamente rejeitada. O que você descobre é que na verdade coloca as moléculas no fundo da madeira em tensão. Conforme você dobra o 2x4, torna a parte inferior mais longa. Enquanto isso, o topo está em compressão. À medida que as moléculas na parte inferior se esticam, elas tentam recuar para dentro, o que exerce uma força de compressão nas moléculas próximas ao topo. Assim, a força está sendo direcionada para fora em direção aos suportes, mas usando dois mecanismos muito diferentes, com apenas 3,5 polegadas de distância!
Para outro exemplo, eu voltaria para Mr. Wizard's World, um programa de TV do início dos anos 80. Ele teve um ótimo exemplo disso usando sal . É um exemplo de como as forças intuitivas podem ficar quando você tem muitas partículas reagindo a uma força.