Тип силы $m\vec{a}$
Поскольку есть типы сил, такие как Нормальная, Натяжная, Гравитационная и т. Д. Предположим, что блок массы $m$ на столе, и человек толкает его, и ускорение $\vec{a}$ производится.
Является $m\vec{a}$действительно сила? Если да, то скажите, пожалуйста, какого это типа?
Ответы
$m\vec a$не сила, и это важное различие, которое следует отметить. Это просто то, что он говорит: продукт массы и ускорения, без ссылки на какие-либо силы.
Эта путаница часто возникает из-за неправильного понимания Второго закона Ньютона, который связывает эту величину с силой. $$\vec F_{\text{net}} = m\vec a$$ Здесь у нас есть две отдельные величины, $\vec F_{\text{net}}$, сумма всех сил, действующих на объект, и $m\vec a$, который дает нам некоторую информацию о движении объекта. Таким образом, Второй закон Ньютона - это не просто уравнение, связывающее силы, а скорее уравнение, говорящее нам, как физически интерпретировать, как силы влияют на объекты.
Поскольку объект массы $m$ имеет ускорение $\vec a$, мы не приходим к выводу, что $m\vec a$ представляет собой силу, а скорее то, что результирующая сила, действующая на объект (т. е. сила толкающего человека, плюс и т. д.) равна $m\vec a$.
По сути, существует только четыре типа сил, а именно электромагнитная сила ; Гравитационная сила ; Сильная сила ; и Слабые силы . Последние две силы имеют атомные масштабы и являются силами очень короткого действия и имеют незначительное влияние на больших расстояниях.
Теперь, переходя к вашему вопросу, все силы, такие как Нормаль, напряжение и трение, обусловлены одной из этих четырех фундаментальных сил, то есть в основном электромагнитной силой ( также подверженной влиянию принципа исключения Паули ).
Когда вы толкаете блок (давайте для простоты предположим поверхность без трения), атомы вашей руки приближаются к атомам блока, и из-за электронных облаков, окружающих ядро, на электроны блока действует чистая сила отталкивания. а также из вашей руки. Эта сила отталкивания заставляет блок ускоряться.
Так $ma$ не новая сила.
Из второго закона движения Ньютона
$F_{net}$$ = ma$
Нормальная сила на блоке - это то, что здесь служит $F_{net}$ уравнения (при условии отсутствия трения стола о блок). $F_{net}$не новая сила. Он просто представляет собой векторную сумму всех сил, действующих на него. Но источником всех сил по-прежнему являются четыре вышеупомянутые фундаментальные силы.
Надеюсь, это поможет ☺️.
Так $m\vec a$это не сила. Есть небольшая разница.
Сила определяется как стремление к ускорению, а не само ускорение. Это причудливое слово просто означает: «Если ничего не вмешивается, то все ускоряется». Кроме того, он действительно взвешен этим параметром количества материала.$m$ который гласит: «Если одно и то же расположение применяется к вдвое большему количеству материала, и ничто другое не вмешивается, то вещь ускоряется вдвое меньше».
Некоторые контрпримеры
Но, например, иногда все находится в состоянии баланса сил . Гравитация тянет меня вниз, но мой стул толкает меня вверх, и в результате я не ускоряюсь . Но силы еще есть. Гравитация по-прежнему склоняет меня к желанию идти вниз, а сила стула по-прежнему склоняет меня к желанию идти вверх, просто они идеально сбалансированы друг с другом, так что я ничего не делаю. (Я должен сделать паузу, чтобы сказать, что это не имеет ничего общего непосредственно с третьим законом Ньютона. Многие новички совершают ошибку, смешивая баланс сил с третьим законом, они также разные.)
Одна действительно умная вещь в этом определении сил состоит в том, что если вы представите, что кто-то движется мимо меня в поезде, может быть, они жонглируют мячами в поезде, я вижу, что все эти шары движутся мимо меня с большой скоростью около 90 км / ч или с какой скоростью движется поезд: но мы оба согласны с любым изменением скорости шаров, и наши часы согласны в том, сколько длится секунда (пока мы не перейдем к теории относительности, но давайте проигнорируем это), поэтому мы оба согласны любые ускорения, которые мы видим, поэтому мы оба согласны с силами, которые мы видим на шарах, даже несмотря на то, что мы не согласны с фактическим импульсом и энергией, которые несут шары. Очень удобно!
И как иногда силы не уравновешены, и вы видите ускорение в каком-то направлении. Возможно, в этом направлении и не было никаких сил ! Так, например, парусные лодки могут плыть по ветру , умело координируя ветер (который, очевидно, отталкивает от ветра) с парусом и рулем, и материнской платой, закрепленной в воде, каждый из которых толкает в совершенно другом направлении. Вы суммируете эти совершенно разные силы в совершенно разных направлениях и получаете «чистую силу» и результирующее ускорение в совершенно отличном от любого из них направлении. Я не могу сказать, что такой$m \vec a$это сила, потому что нет силы, направленной в нужном направлении. Но это векторная сумма сил на лодке.
Есть виды сил?
Теперь, помимо этого, вы спрашиваете, существуют ли существенно разные типы сил, и ответ будет «не на том уровне, который вам хотелось бы: но есть существенно разные причины, по которым мы заботимся о силах, и мы называем эти силы причинами, которые нам небезразличны. о них." Так, например, то, что вы называете «нормальной силой», вызвано тем фактом, что мой стул (и пол под ним и планета под ним) еще не сломан, поэтому я не могу через него упасть. Это то, что мы называем сдерживающей силой , она создается ограничением движений системы. Мы называем это «нормальной силой», чтобы вы знали, что это сила, которая нормальна (старое причудливое слово, означающее «ортогональная к» или «перпендикулярная») ограничениям системы. Но в конечном итоге это вызвано электромагнитным отталкиванием и отталкиванием Паули между электронными облаками атомов, поэтому, если бы мы классифицировали его по типу, мы бы назвали это «квантовой силой отталкивания Паули между электронными облаками, потому что электроны не могут находиться в том же состоянии, что и друг друга. ». Но мы не классифицируем его таким образом, мы классифицируем его по некоторому пониманию того, почему он нам небезразличен, что он делает в наших уравнениях: он мешает мне упасть через пол, он налагает ограничение, которое я не выполняю. думаю, что произойдет в физике этой системы. Точно так же сила натяжения выражает, что существует эластичная вещь, которая была растянута за пределы своей равновесной длины, и она хочет вернуться к своей равновесной длине: это не основной тип, который снова является «электромагнитной силой атомов, тянущих к соседним атомам. , плюс, вероятно, энтропийная сила длинных нитевидных молекул, которые вынуждены выпрямляться, но термически они действительно хотят вернуться к сложным волнистым волнам ». Но мы называем это «натяжением», потому что нас не волнует, почему веревка или пружина хотят вернуться к своей равновесной длине, достаточно того, что они действительно этого хотят, и это причина, по которой мы заботимся об этом.
$m\vec a$это не сила. Это сумма всех сил:
$$\sum \vec F=m\vec a$$
При толкании предмета на столе вбок на него действуют как минимум три силы:
- Его вес / сила тяжести ,
- нормальная сила , держа его вверх, и
- ваша толкающая сила .
Возможно, что некоторые из них нейтрализуют друг друга, что может произойти, если вы толкнете объект боком по горизонтальной поверхности. Также возможно, что задействованы дополнительные силы, такие как кинетическое трение, как очевидный следующий выбор.
Не обязательно существует специальное условное название для всех сил - то есть нет универсального названия для случайной толкающей силы, как здесь. Мы можем просто назвать это «толкающей силой», если захотим. **
** Это, конечно, существует из-за электромагнитного отталкивания атомов, из которых состоят кончики ваших пальцев, но я думаю, это не тот уровень, о котором вы хотите спрашивать.
См. Второй закон Ньютона можно сформулировать так: $$\sum \vec{F} =m \vec{a}$$В случае блока «тип» силы, которую человек применяет к блоку, называется нормальной силой и определяется как сила, которая не дает двум телам занять одно и то же место. Итак, давайте представим нормальную силу на блоке как N. Затем:$$N=ma$$
Обратите внимание, что сила равна N, которая численно равна $ma$ а не наоборот.
Я думаю, что вопрос ОП указывает на то, как мы узнаем, что на объект действуют силы, и каковы их величины и направления.
Я вижу два типа сил, классифицируемых по способу измерения:
Силы, измеряемые тензодатчиком (обычно основанные на упругих свойствах).
Таким образом можно измерить нормальную силу, силы статического трения и силу, приложенную к блоку человеком.
Если присутствуют только эти типы сил, векторная сумма всех их $\mathbf F_{net} = m\mathbf a$. Кинетические силы трения кажутся более трудными для измерения, и их можно определить по разнице в приведенном выше уравнении.
Гравитационный .
Тело в свободном падении ускоряется, но сила, вызывающая ускорение, не может быть измерена датчиком нагрузки. С другой стороны, если датчик веса измеряет вес статического объекта, то измеряется нормальная сила, но нет ускорения.
В этих случаях необходимо постулировать гравитационную силу, чтобы избежать ускорения без чистой силы или чистой силы без ускорения.