La Idea De Fuerza

La Idea De Fuerza

Fuerza

En la física, Un fuerza es una influencia que hace que una cuerpo libre someterse a un cambio en la velocidad, un cambio de dirección, o un cambio en la forma. Fuerza también puede ser descrito por conceptos intuitivos como un empujón o un tirón que puede causar un objeto con masa para cambiar su velocidad (Que incluye a comenzar a moverse de un estado de reposo), Es decir, a acelerar, O que pueden hacer que un objeto flexible para deformar. Una fuerza tiene tanto magnitud y dirección, Lo que es un vector cantidad. la segunda ley de Newton, F = ma, se pueden formular a afirmar que un objeto con una masa constante se acelerará en proporción a la fuerza neta que actúan sobre y en proporción inversa a su masa, una aproximación que se rompe cerca de la velocidad de la luz. formulación original de Newton es exacta, y no se descomponen: que esta versión señala la fuerza neta que actúa sobre un objeto es igual a la tasa de en el que su impulso cambios.[1]

conceptos relacionados con la aceleración de las fuerzas incluyen empuje, El aumento de la velocidad del objeto, arrastre, Disminuyendo la velocidad de cualquier objeto, y par, Causando cambios en la velocidad de rotación alrededor de un eje. Fuerzas que no actúan de manera uniforme en todas las partes de un cuerpo también causa esfuerzos mecánicos,[2] un término técnico para las influencias que causan deformación de la materia. Mientras que el estrés mecánico puede permanecer incrustados en un objeto sólido, poco a poco deformando, la tensión mecánica en un fluido determina cambios en su la presión y volumen.[3][4]

Los filósofos en antigüedad utiliza el concepto de fuerza en el estudio de estacionaria y en movimiento objetos y máquinas simples, Pero pensadores como Aristóteles y Arquímedes conserva los errores fundamentales en la comprensión de la fuerza. En parte esto se debió a una comprensión incompleta de la fuerza a veces no es evidente de fricción, y una vista en consecuencia inadecuada de la naturaleza del movimiento natural[5] Un error fundamental fue la creencia de que una fuerza se requiere para mantener el movimiento, incluso a una velocidad constante. La mayoría de los malentendidos anteriores sobre el movimiento y la fuerza se han corregido con el tiempo por Sir Isaac Newton, Con su intuición matemática, formuló leyes del movimiento que se mantuvo sin cambios durante casi 300 años.[4] En el siglo 20, Einstein desarrollado un teoría de la relatividad que predijo correctamente la acción de las fuerzas sobre los objetos con el aumento de momentos cerca de la velocidad de la luz, y ofrecerán información detallada sobre las fuerzas producidas por la gravitación y la inercia.

Con ideas modernas en la mecánica cuántica y la tecnología que pueden acelerar partículas cerca de la velocidad de la luz, la física de partículas ha ideado un Modelo Estándar para describir las fuerzas entre las partículas más pequeñas que los átomos. La Modelo Estándar predice que las partículas intercambian llamadas bosones de norma son los medios fundamentales por los que las fuerzas son emitidos y absorbidos. Sólo cuatro principales interacciones se conocen: en orden decreciente de fuerza, que son: fuerte, electromagnéticos, débil, Y gravitacional.[3] De alta energía física de partículas observaciones realizados durante la década de 1970 y 1980 confirmó que las fuerzas débiles y electromagnéticas son expresiones de una más fundamental electrodébil interacción.

conceptos pre-Newtoniana

Desde la antigüedad el concepto de fuerza ha sido reconocida como esencial para el funcionamiento de cada uno de los máquinas simples. La ventaja mecánica dada por una máquina simple permitido menos fuerza para ser utilizado a cambio de que la fuerza que actúa sobre una distancia mayor para la misma cantidad de trabajo. Análisis de las características de las fuerzas en última instancia, culminó en la obra de Arquímedes que era especialmente famoso por la formulación de un tratamiento de fuerzas boyantes inherentes a la fluidos.[5]

Aristóteles proporcionan una filosófica debate sobre el concepto de una fuerza como parte integrante de La cosmología aristotélica. En vista de Aristóteles, el mundo natural lugar cuatro elementos que existía en “estado natural”. Aristóteles creía que era el estado natural de los objetos con masa en Tierra, Tales como los elementos agua y la tierra, al estar inmóvil en el suelo y que tendían hacia ese estado si se queda solo. Distinguió entre la tendencia innata de los objetos a encontrar su “lugar natural” (por ejemplo, para los cuerpos pesados que caen), que dio lugar a “movimiento natural”, y el movimiento natural o forzado, que requiere la aplicación continua de una fuerza.[7] Esta teoría, basada en la experiencia cotidiana de cómo los objetos se mueven, como la aplicación constante de una fuerza que se necesita para mantener un carro en movimiento, tenía problemas de contabilidad conceptual para el comportamiento de proyectiles, Como el vuelo de las flechas. El lugar donde las fuerzas se aplican a los proyectiles fue sólo al comienzo del vuelo, y mientras el proyectil salió por el aire, ninguna fuerza apreciable actúa sobre él. Aristóteles era consciente de este problema y propuso que el aire desplazado a través de la trayectoria del proyectil proporcionan la fuerza necesaria para continuar con el proyectil en movimiento. Esto exige una explicación de que el aire es necesario para proyectiles y que, por ejemplo, en un vacío, El proyectil no se mueva después del impulso inicial. Otros problemas con la explicación incluyen el hecho de que resiste el aire el movimiento de los proyectiles.[8]

la física aristotélica comenzó a enfrentar críticas en la ciencia medieval, Por primera vez por Juan Filopón en el siglo sexto.

Las deficiencias de la física aristotélica no sería totalmente corregido hasta que el trabajo del siglo XVII Galileo Galilei, Que fue influenciado por la idea medieval tardía que los objetos en movimiento forzosos que lleven a una fuerza innata de impulso. Galileo construyó un experimento en el que las piedras y balas de cañón fueron rodó por una pendiente para refutar la la teoría aristotélica del movimiento a principios del siglo XVII. Demostró que los cuerpos fueron acelerado por la gravedad en un grado que era independiente de su masa y argumentó que los objetos conservan su velocidad a menos que actúe por la fuerza, por ejemplo fricción.[9] [edición] la mecánica newtoniana Artículo principal: Leyes de Newton del movimiento

Sir Isaac Newton trató de describir el movimiento de todos los objetos utilizando los conceptos de inercia y la fuerza, y al hacerlo se encontró con que obedecen a ciertas leyes de conservación. En 1687, Newton llegó a publicar su tesis Philosophiae Naturalis Principia Mathematica.[4][10] En este trabajo de Newton estableció tres leyes del movimiento que hoy en día son la forma fuerzas se describen en la física.[10] [edición] primera ley de Newton Artículo principal: Leyes de Newton del movimiento # primera ley de Newton

primera ley de Newton dice que los objetos de movimiento continuará moviéndose en un estado de velocidad constante a menos que actúe sobre él una externa fuerza neta o fuerza resultante.[10] Esta ley es una extensión de la visión de Galileo de que la velocidad constante se asoció con la falta de fuerza neta (véase una descripción más detallada de esta por debajo de). Newton propuso que cada objeto con masa tiene una innata inercia que funciona como el equilibrio fundamental “estado natural” en lugar de la idea aristotélica del “estado natural de descanso”. Es decir, la primera ley contradice la creencia intuitiva aristotélica de que una fuerza neta que se requiere para mantener un objeto en movimiento con velocidad constante. Al hacer resto físicamente indistinguibles de la velocidad a cero constante, La primera ley de Newton se conecta directamente la inercia con el concepto de velocidades relativas. En concreto, en los sistemas donde los objetos se mueven con velocidades diferentes, es imposible determinar qué objeto está “en movimiento” y que es objeto “en reposo”. En otras palabras, a las cuestiones frase más técnicamente, las leyes de la física son las mismas en todos los sistema de referencia inercial, Es decir, en todos los sistemas relacionados por un transformación de Galileo.

Por ejemplo, mientras viajaba en un vehículo en movimiento en un constante velocidad, Las leyes de la física no cambian de estar en reposo. Una persona puede lanzar una pelota hacia arriba en el aire y atraparlo, ya que cae sin preocuparse por aplicar una fuerza en la dirección del vehículo está en movimiento. Esto es cierto a pesar de que otra persona que está cumpliendo con el paso del vehículo en movimiento por el también observa la pelota sigue una curva trayectoria parabólica en la misma dirección que el movimiento del vehículo. Es la inercia de la bola asociadas a su velocidad constante en la dirección del movimiento del vehículo que garantice la pelota sigue avanzando hasta que se lanza hacia arriba y vuelve a caer. Desde la perspectiva de la persona en el coche, el vehículo y todo dentro de ella está en reposo: Es el mundo exterior que se mueve con una velocidad constante en la dirección opuesta. Como no hay ningún experimento que puede distinguir si es el vehículo que está en reposo o al mundo exterior que está en reposo, las dos situaciones se consideran físicamente indistinguibles. La inercia por lo tanto se aplica igualmente al movimiento constante de la velocidad como lo hace para descansar.

El concepto de inercia puede ser más generalizada para explicar la tendencia de los objetos a seguir en muchas formas diferentes de movimiento constante, incluso aquellos que no son estrictamente velocidad constante. La la inercia de rotación del planeta Tierra es lo que fija la constancia de la longitud de un día y la longitud de un año. Albert Einstein extendió el principio de la inercia más cuando explicó que los sistemas de referencia sometidos a una aceleración constante, como los de caída libre hacia un objeto gravitante, eran físicamente equivalente a los sistemas de referencia inerciales. Por eso, por ejemplo, los astronautas de la experiencia ingravidez cuando en la órbita de caída libre alrededor de la Tierra, y por qué las leyes de Newton del movimiento son más fáciles de percibir en estos entornos. Si un astronauta coloca un objeto con una masa en el aire junto a sí misma, se mantendrá estacionario con respecto a la astronauta debido a su inercia. Esto es lo mismo que ocurriría si el astronauta y el objeto estuviera en el espacio intergaláctico, sin fuerza neta de la gravedad que actúan en su marco de referencia compartido. Este principio de equivalencia fue uno de los pilares fundamentales para el desarrollo de la la teoría de la relatividad general.[11] Aunque Sir Isaac Newton’S la ecuación más famosa es \scriptstyle{\vec{F}=m\vecā}, En realidad escribí una forma diferente para su segunda ley de movimiento que no utilizó cálculo diferencial. [edición] la segunda ley de Newton Artículo principal: Leyes de Newton del movimiento # segunda ley de Newton

Una declaración moderna de la segunda ley de Newton es un vector ecuación diferencial:[12]

\vec{F} = \frac{\mathrm{d}\vec{p}}{\mathrm{d}t},

donde \scriptstyle \vec{p} es el impulso del sistema, y \scriptstyle \vec{F} es la red (la suma vectorial) Vigente. En el equilibrio, no es cero neta la fuerza por definición, pero (balanceado) las fuerzas pueden estar presentes, sin embargo. Por el contrario, la segunda ley establece un desequilibrado fuerza que actúa sobre un objeto se traducirá en el impulso del objeto cambia con el tiempo.[10]

Por la definición de impulso,

\vec{F} = \frac{\mathrm{d}\vec{p}}{\mathrm{d}t} = \frac{\mathrm{d}\left(m\vec{v}\right)}{\mathrm{d}t},

donde m es el masa y \scriptstyle \vec{v} es el velocidad.

En un sistema de masa constante, El uso de la norma constante en la diferenciación permite que la masa a mover fuera del operador de la derivada, y se convierte en la ecuación

\vec{F} = m\frac{\mathrm{d}\vec{v}}{\mathrm{d}t}.

Al sustituir la definición de aceleración, La versión algebraica de la segunda ley de Newton se deriva:

\vec{F} =m\vecā.

A veces se llama la “segunda fórmula más famosa de la física”.[13] Newton nunca explícitamente la fórmula de la forma reducida de arriba.

la segunda ley de Newton afirma la proporcionalidad directa de la aceleración de la fuerza y la proporcionalidad inversa de la aceleración a la masa. Aceleraciones se puede definir a través de cinemático mediciones. Sin embargo, mientras que la cinemática están bien descritos a través de sistema de referencia análisis en la física avanzada, todavía hay cuestiones profundas que permanecen en cuanto a cuál es la definición correcta de la masa. Relatividad general ofrece una equivalencia entre espacio-tiempo y la masa, pero que carecen de una teoría coherente de la gravedad cuántica, No está claro en cuanto a cómo o si esta conexión es relevante en microescala. Con cierta justificación, la segunda ley de Newton puede ser tomado como una definición cuantitativa de masa por la redacción de la ley como la igualdad, la unidades relativas de la fuerza y la masa a continuación, son fijos.

El uso de la segunda ley de Newton como un definición de la fuerza ha sido menospreciado en algunos de los libros de texto más riguroso,[3][14] porque es esencialmente un matemático perogrullada. físicos notables, filósofos y matemáticos que han buscado una definición más explícita del concepto de la fuerza son Ernst Mach, Clifford Truesdell y Walter Noll.[15]

la segunda ley de Newton se puede utilizar para medir la fuerza de las fuerzas. Por ejemplo, el conocimiento de las masas de planetas junto con la aceleración de su órbitas permite a los científicos para calcular las fuerzas gravitacionales de los planetas. [edición] La tercera ley de Newton Artículo principal: Leyes de Newton del movimiento # tercera ley de Newton: ley de las acciones recíprocas

La tercera ley de Newton es un resultado de la aplicación simetría a las situaciones donde las fuerzas se puede atribuir a la presencia de diferentes objetos. Para cualquiera de los dos objetos (los llamamos 1 y 2), los estados tercera ley de Newton que cualquier fuerza que se aplica a un objeto debido a la acción del objeto 2 va acompañado de una fuerza aplicada sobre el objeto 2 debido a la acción de un objeto[16]

\vec{F}_{1,2}=-\vec{F}_{2,1}.

Esta ley implica que las fuerzas siempre se presentan en pares de acción y reacción.[10] Si un objeto y el objeto 2 se considera que en el mismo sistema, entonces la fuerza neta sobre el sistema debido a las interacciones entre los objetos 1 y 2 es cero, ya que

\vec{F}_{1,2}+\vec{F}_{\mathrm{2,1}}=0

\vec{F}_{net}=0.

Esto significa que en un sistema cerrado de las partículas, no hay las fuerzas internas que no están equilibradas. Es decir, pares de acción y reacción de las fuerzas para compartir entre dos objetos en un sistema cerrado no hará que el centro de masa del sistema para acelerar. Los objetos que la componen sólo acelera con respecto a la otra, el sistema en sí sigue siendo no acelerado. Por otra parte, si un fuerza externa actúa sobre el sistema, entonces el centro de la masa experimentará una aceleración proporcional a la magnitud de la fuerza externa dividida entre la masa del sistema.[3]

leyes segunda y tercera combinación de Newton, es posible demostrar que el momento lineal de un sistema se conserva. Uso de

\vec{F}_{1,2} = \frac{\mathrm{d}\vec{p}_{1,2}}{\mathrm{d}t} = -\vec{F}_{2,1} = -\frac{\mathrm{d}\vec{p}_{2,1}}{\mathrm{d}t}

y la integración de con respecto al tiempo, la ecuación:

\Delta{\vec{p}_{1,2}} = - \Delta{\vec{p}_{2,1}}

se obtiene. Para un sistema que incluye objetos 1 y 2,

\sum{\Delta{\vec{p}}}=\Delta{\vec{p}_{1,2}} + \Delta{\vec{p}_{2,1}} = 0

que es la conservación del momento lineal.[17] Usando los argumentos similares, es posible generalizar esto a un sistema de un número arbitrario de partículas. Esto demuestra que el impulso intercambio entre los objetos constituyentes no afectará a la progresión neta de un sistema. En general, siempre y cuando todas las fuerzas se deben a la interacción de los objetos con masa, es posible definir un sistema como ese impulso neta nunca se pierde ni se gana.[3] [edición] Descripciones Diagramas de cuerpo libre de un objeto sobre una superficie plana y una plano inclinado. Fuerzas que se resuelvan y se sumarán para determinar su magnitud y la resultante.

Desde que las fuerzas se perciben como empuja o tira, esto puede ofrecer una comprensión intuitiva para describir las fuerzas.[4] Como ocurre con otros conceptos físicos (por ejemplo, la temperatura), La comprensión intuitiva de las fuerzas se cuantifica con precisión definiciones operativas que sean compatibles con particular observaciones y en comparación con una escala de medición estándar. A través de la experimentación, se determina que las mediciones de laboratorio de las fuerzas están en plena consonancia con la definición conceptual de la fuerza que ofrece la mecánica newtoniana.

Fuerzas actúan en un determinado dirección y tienen tamaños depende de lo fuerte de ampliación o reducción es. Debido a estas características, las fuerzas se clasifican como “cantidades vectoriales”. Esto significa que las fuerzas de seguir un conjunto diferente de reglas matemáticas de las magnitudes físicas que no tienen dirección (denotado escalar cantidades). Por ejemplo, la hora de determinar lo que sucede cuando actúan dos fuerzas sobre el mismo objeto, es necesario conocer la magnitud y la dirección de ambas fuerzas para calcular el resultado de la. Si ambas partes de información no son conocidos por cada fuerza, la situación es ambigua. Por ejemplo, si usted sabe que dos personas están tirando de la misma cuerda con magnitudes conocidas de la fuerza, pero no sabes en qué dirección o persona está tirando, es imposible determinar cuál es la aceleración de la cuerda será. Las dos personas podrían estar tirando unos contra otros como en tira y afloja o las dos personas que podrían estar tirando en la misma dirección. En este sencillo unidimensional ejemplo, sin conocer la dirección de las fuerzas es imposible decidir si la fuerza neta es el resultado de sumar las dos magnitudes de la fuerza o restando uno del otro. La asociación de fuerzas con vectores evita estos problemas.

Históricamente, las fuerzas fueron los primeros en investigar cuantitativamente en condiciones de equilibrio estático donde varias fuerzas se anulan mutuamente. Estos experimentos demuestran las propiedades fundamentales de que las fuerzas son aditivas cantidades vectoriales: Tienen magnitud y la dirección.[4] Cuando dos fuerzas actúan sobre un objeto, la fuerza resultante, la resultante (También llamado fuerza neta), Se puede determinar tras la paralelogramo regla de Además de vectores: La adición de dos vectores representados por los lados de un paralelogramo, ofrece un vector resultante equivalente que es igual en magnitud y dirección a la transversal del paralelogramo.[3] La magnitud de la resultante varía de la diferencia de las magnitudes de las dos fuerzas a su suma, en función del ángulo entre sus líneas de acción.

Diagramas de cuerpo libre se puede utilizar como una manera conveniente de realizar un seguimiento de fuerzas que actúan sobre un sistema. Idealmente, estos diagramas se dibujan con los ángulos y las magnitudes relativas de los vectores de fuerza preservado para que suma de vectores gráficos se puede hacer para determinar la resultante.[18]

Además de ser añadido, las fuerzas también se pueden resolver en componentes independientes en ángulo recto el uno al otro. Una fuerza horizontal dirigida al noreste por lo tanto se puede dividir en dos fuerzas, una que apunta hacia el norte, y la otra apuntando hacia el este. Resumiendo estas fuerzas componente mediante la suma de vectores se obtiene la fuerza original. Resolución de vectores de fuerza en los componentes de un conjunto de vectores de la base es a menudo una forma más limpia para describir matemáticamente las fuerzas que el uso de magnitudes y las direcciones.[19] Esto se debe, por ortogonal componentes, los componentes de la suma de vectores son determinados únicamente por la suma escalar de los componentes de los vectores individuales. componentes ortogonales son independientes el uno del otro, porque las fuerzas que actúan perpendicularmente respecto a los demás no tienen ningún efecto sobre la magnitud o la dirección de la otra. La elección de un conjunto de vectores de la base ortogonal se hace a menudo en función de cuáles conjunto de vectores de la base hará que las matemáticas que más le convengan. La elección de un vector de la base que está en la misma dirección que una de las fuerzas es deseable, ya que la fuerza tendría un solo componente no nula. vectores ortogonales fuerza puede ser de tres dimensiones con el tercer componente está en ángulo recto con las otras dos.[3] [edición] Equilibrios

Equilibrio se produce cuando la fuerza resultante que actúa sobre una partícula puntual es cero (es decir, la suma vectorial de todas las fuerzas es cero). Cuando se trata de un cuerpo extenso, también es necesario que el par neto es 0.

Hay dos tipos de equilibrio: equilibrio estático y equilibrio dinámico. [edición] El equilibrio estático Artículo principal: Estática

El equilibrio estático se entendía bien antes de la invención de la mecánica clásica. Los objetos que están en reposo tiene cero fuerza neta que actúa sobre ellos.[20]

El caso más simple de equilibrio estático se produce cuando dos fuerzas son iguales en magnitud pero de sentido opuesto. Por ejemplo, un objeto sobre una superficie plana se tira (atraídos) a la baja hacia el centro de la Tierra por la fuerza de la gravedad. Al mismo tiempo, las fuerzas de superficie de resistir a la fuerza hacia abajo con fuerza hacia arriba igual (llamado fuerza normal). La situación es de cero fuerza neta y la aceleración no.[4]

El empujar contra un objeto en una superficie de fricción puede dar lugar a una situación en la que el objeto no se mueve porque la fuerza aplicada es la oposición de fricción estática, Generó entre el objeto y la superficie de la mesa. Para una situación sin movimiento, la fuerza de fricción estática exactamente un equilibrio entre la fuerza aplicada con lo que no la aceleración. El aumento de la fricción estática o disminuye en respuesta a la fuerza aplicada hasta un límite máximo determinado por las características del contacto entre la superficie y el objeto.[4]

Un equilibrio estático entre dos fuerzas es la forma más habitual de medir fuerzas, el uso de dispositivos simples, tales como balanzas y primavera de los saldos. Por ejemplo, un objeto suspendido en posición vertical primavera escala experiencias de la fuerza de gravedad que actúa sobre el objeto equilibrada por una fuerza aplicada por la “fuerza de reacción de la primavera”, que es igual al peso del objeto. Usando estas herramientas, algunas leyes de la fuerza cuantitativa se descubrieron: que la fuerza de gravedad es proporcional al volumen de los objetos de constante densidad (Ampliamente explotados durante milenios para definir el peso normal); el principio de Arquímedes para el empuje, el análisis de Arquímedes de la palanca; la ley de Boyle para la presión de gas, y la ley de Hooke para muelles. Estos fueron todos los formulados y verificado experimentalmente antes de que Isaac Newton expuso su tres leyes del movimiento.[3][4] [edición] Dinámica de equilibrio Artículo principal: Dinámica (física) Galileo Galilei fue el primero en señalar las contradicciones inherentes que figuran en la descripción de Aristóteles de las fuerzas.

equilibrio dinámico fue descrito por primera vez por Galileo que se percató de que ciertos supuestos de la física aristotélica se contradice con las observaciones y la lógica. Galileo se dio cuenta de que Además de la velocidad simple demandas que el concepto de una absoluta “ resto del marco”No existía. Galileo llegó a la conclusión de que el movimiento en una constante velocidad fue completamente equivalente a descansar. Esto era contrario a la noción de Aristóteles de un “estado natural” de descanso que los objetos con masa, naturalmente, se acercó. Experimentos sencillos mostró que la comprensión de Galileo de la equivalencia de velocidad constante y el resto es correcto. Por ejemplo, si un marinero dejó caer una bala de cañón desde la cofa de un barco se mueve a una velocidad constante, la física aristotélica tendría la caída de bala de cañón hacia abajo mientras el barco se movía bajo él. Así, en un universo de Aristóteles, la bala de cañón que la caída de la tierra detrás del pie del mástil de un barco en movimiento. Sin embargo, cuando el experimento se llevó a cabo en realidad, la bala de cañón siempre cae al pie del mástil, como si la bala de cañón sabe viajar con la nave a pesar de estar separado de ella. Dado que no existe una fuerza horizontal hacia delante que se aplica en la bala de cañón a medida que cae, la única conclusión a la izquierda es que la bala de cañón continúa moviéndose con la misma velocidad que el barco a medida que cae. Por lo tanto, ninguna fuerza es necesaria para mantener el cañón se mueve a la velocidad de avance constante.[9]

Por otra parte, cualquier objeto que viaja a una velocidad constante debe estar sujeto a cero fuerza neta (fuerza resultante). Esta es la definición de equilibrio dinámico: cuando todas las fuerzas en un equilibrio objeto, sino que todavía se mueve a una velocidad constante.

Un caso simple de equilibrio dinámico ocurre en el movimiento constante de la velocidad a través de una superficie con rozamiento cinético. En tal situación, se aplica una fuerza en la dirección del movimiento, mientras que la fuerza de fricción cinética exactamente se opone a la fuerza aplicada. Esto da lugar a una red de fuerza cero, pero ya que el objeto se inició con una velocidad distinta de cero, que continúa moviéndose con una velocidad distinta de cero. Aristóteles mal interpretado este movimiento es causado por la fuerza aplicada. Sin embargo, cuando la fricción cinética se toma en consideración, es evidente que no existe una fuerza neta que causa el movimiento constante de la velocidad.[3] [edición] La relatividad especial

En el teoría de la relatividad masa y energía son equivalentes (como se puede apreciar al calcular el trabajo necesario para acelerar un objeto). Cuando la velocidad de un objeto, mayor es su energía y por lo tanto su equivalente en masa (inercia). Por lo tanto, requiere más fuerza para acelerar la misma cantidad que lo hizo a una velocidad inferior. la segunda ley de Newton

\vec{F} = \mathrm{d}\vec{p}/\mathrm{d}t

sigue siendo válido porque es una definición matemática.[21] Pero para ser conservado, el momento relativista debe ser redefinida como:

\vec{p} = \frac{m\vec{v}}{\sqrt{1 - v^2/c^2}}

donde

v es la velocidad y

c es el velocidad de la luz.

La expresión relativista sobre la fuerza y la aceleración de una partícula con una constante distinta de cero masa en reposo m\, avanzando en la x\, dirección es:

F_x = \gamma^3 m a_x \,

F_y = \gamma m a_y \,

F_z = \gamma m a_z \,

donde el Factor de Lorentz

\gamma = \frac{1}{\sqrt{1 - v^2/c^2}}.[22]

fuerza relativista no produce una aceleración constante, pero una aceleración cada vez menor que el objeto se acerca a la velocidad de la luz. Tenga en cuenta que γ es sin definir de un objeto con un no cero masa en reposo a la velocidad de la luz, y los rendimientos de la teoría de ninguna predicción a esa velocidad.

Uno sin embargo puede restaurar la forma de

F^\mu = mA^\mu \,

para su uso en la relatividad mediante el uso de cuatro vectores. Esta relación es correcta en la relatividad cuando Fμ es el cuatro vigor, M es la invariante de masas, Y Unμ es el cuatro de aceleración.[23] [edición] Diagramas de Feynman Artículo principal: Diagramas de Feynman Un diagrama de Feynman para la desintegración de un neutrón en un protón. La Bosón W es entre dos vértices indica una repulsión.

En los modernos la física de partículas, Las fuerzas y la aceleración de partículas se explican como el intercambio de cantidad de movimiento-que lleva bosones de norma. Con el desarrollo de teoría cuántica de campos y la relatividad general, Se dio cuenta de que la fuerza es un concepto redundante derivados de conservación del momento (4-impulso en la relatividad y el impulso de partículas virtuales en electrodinámica cuántica). La conservación del momento, de teorema de Noether, Pueden ser directamente derivados de la simetría de espacio por lo que generalmente se considera más fundamental que el concepto de una fuerza. Así, el actualmente conocido fuerzas fundamentales se consideran con mayor precisión a ser “interacciones fundamentales”.[6] Cuando se emite una partícula (crea) o absorbe (aniquila) la partícula B, una fuerza acelera la partícula A en la respuesta al impulso de la partícula B, lo que impulso la conservación en su conjunto. Esta descripción se aplica a todas las fuerzas que surgen de las interacciones fundamentales. Mientras sofisticados descripciones matemáticas son necesarias para predecir, con todo detalle, la naturaleza de estas interacciones, hay una manera conceptualmente simple para describir estas interacciones a través del uso de los diagramas de Feynman. En un diagrama de Feynman, cada partícula de materia se representa como una línea recta (ver mundo línea) Que viajan a través del tiempo que normalmente aumenta hacia arriba o hacia la derecha en el diagrama. La materia y las partículas de antimateria son idénticas a excepción de su dirección de propagación a través del diagrama de Feynman. líneas de mundo de las partículas se cruzan en vértices interacción, Y el diagrama de Feynman representa cualquier fuerza que surgen de la interacción que se producen en el vértice con los consiguientes cambios instantáneos en la dirección de las líneas de partículas del mundo. bosones de norma se emiten de distancia desde el vértice como líneas onduladas (similar a las ondas) y, en el caso de intercambio de partículas virtuales, son absorbidos en un vértice adyacente.[24]

La utilidad de los diagramas de Feynman es que otros tipos de fenómenos físicos que forman parte del cuadro general de interacciones fundamentales pero son conceptualmente independientes de las fuerzas también se pueden describir utilizando las mismas reglas. Por ejemplo, un diagrama de Feynman pueden describir en detalle cómo una sucinta neutrones decae en un de electrones, protón, Y neutrinos, Una interacción mediada por el bosón del mismo calibre que es responsable de la fuerza nuclear débil.[24] [edición] modelos fundamentales Artículo principal: interacciones fundamentales

Todas las fuerzas del universo se basan en cuatro fuerzas fundamentales. Las fuerzas fuertes y débiles actúan sólo a distancias muy cortas, y son responsables de las interacciones entre partículas subatómicas incluyendo nucleones y el compuesto núcleos. Actúa la fuerza electromagnética entre cargas eléctricas y los actos de fuerza gravitacional entre las masas. Todas las otras fuerzas se basan en la existencia de las cuatro interacciones fundamentales. Por ejemplo, la fricción es una manifestación de la fuerza electromagnética que actúa entre el átomos de dos superficies, Y el Principio de Exclusión de Pauli,[25] que no permite pasar a través de los átomos entre sí. Las fuerzas de manantiales, Modelada por la ley de Hooke, Son también el resultado de las fuerzas electromagnéticas y el Principio de Exclusión de actuar juntos para devolver el objeto a su posición de equilibrio. Fuerzas centrífugas son fuerzas de aceleración que surgen simplemente de la aceleración de la rotación marcos de referencia.[3]

El desarrollo de las teorías fundamentales de las fuerzas procedió a lo largo de las líneas de unificación de ideas dispares. Por ejemplo, Isaac Newton unificó la fuerza responsable de la caída de objetos en la superficie de la Tierra con la fuerza responsable de las órbitas de la mecánica celeste en su teoría de la gravitación universal. Michael Faraday y James Clerk Maxwell demostrado que las fuerzas eléctricas y magnéticas se unificaron a través de una teoría consistente del electromagnetismo. En el siglo XX, el desarrollo de la mecánica cuántica condujo a una comprensión moderna de que los primeros tres fuerzas fundamentales (todos excepto la gravedad) son manifestaciones de la materia (fermiones) Que interactúan mediante el intercambio de partículas virtuales llamada bosones de norma.[26] Este modelo estándar la física de partículas postula una similitud entre las fuerzas y llevó a los científicos predecir la unificación de las fuerzas débil y electromagnética en electrodébil teoría posteriormente confirmado por la observación. La formulación completa del modelo estándar predice una aún no observadas Mecanismo de Higgs, Pero las observaciones que oscilaciones de neutrinos indican que el modelo estándar es incompleta. Un la teoría de gran unificación teniendo en cuenta la combinación de la interacción electrodébil con la fuerza nuclear fuerte se mantiene como una posibilidad con teorías como candidato supersimetría propuestas para dar cabida a algunos de los pendientes problemas sin resolver en la física. Los físicos están todavía tratando de desarrollar modelos de unificación de auto-consistente que combine las cuatro interacciones fundamentales en un Teoría del Todo. Einstein intentó y fracasó en este empeño, pero en la actualidad es el método más popular para responder a esta pregunta la teoría de cuerdas.[6] [edición] Gravedad Artículo principal: Gravedad Un objeto inicialmente estacionario, que se deja caer libremente por gravedad cae una distancia que es proporcional al cuadrado del tiempo transcurrido. Una imagen se tomó el 20 destellos por segundo. Durante la primera 1/20o de un segundo la bola cae una unidad de distancia (en este caso, una unidad es de aproximadamente 12 mm); por 2/20ths que ha caído un total de 4 unidades; por 3/20ths, las unidades 9 y así sucesivamente .

Lo que ahora llamamos la gravedad no se identificó como una fuerza universal hasta que el trabajo de Isaac Newton. Antes de Newton, la tendencia de los objetos que caen hacia la Tierra no se entiende que estar relacionado con los movimientos de objetos celestes. Galileo fue fundamental en la descripción de las características de caída de objetos mediante la determinación de que el aceleración de cada objeto en caída libre fue constante e independiente de la masa del objeto. Hoy en día, este aceleración de la gravedad hacia la superficie de la Tierra es generalmente designado como \vec{g} y tiene una magnitud de alrededor de 9,81 metros por segundo cuadrado (esta medida se toma desde el nivel del mar y pueden variar dependiendo de la ubicación), y apunta hacia el centro de la Tierra.[27] Esta observación significa que la fuerza de la gravedad sobre un objeto en la superficie de la Tierra es directamente proporcional a la masa del objeto. Así, un objeto que tiene una masa de m experimentará una fuerza:

\vec{F} = m\vec{g}

En caída libre, esta fuerza es sin oposición y por lo tanto la fuerza neta sobre el objeto es su peso. Para los objetos no en caída libre, la fuerza de gravedad es la oposición de las reacciones de sus soportes. Por ejemplo, una persona de pie en el suelo experiencias fuerza neta cero, ya que su peso es equilibrado por un fuerza normal ejercida por el suelo.[3]

contribución de Newton a la teoría de la gravedad era unificar los movimientos de los cuerpos celestes, que Aristóteles había asumido estaban en un estado natural de movimiento constante, la caída observada en el movimiento de la Tierra. Propuso una ley de la gravedad que podrían explicar los movimientos celestes que se habían descrito anteriormente utilizando Leyes de Kepler del movimiento planetario.[28]

Newton se dio cuenta de que los efectos de la gravedad puede ser observada de distintas maneras a las grandes distancias. En particular, Newton determinó que la aceleración de la Luna alrededor de la Tierra podría ser atribuido a la misma fuerza de gravedad si la aceleración de la gravedad como una disminución de ley del cuadrado inverso. Además, Newton se dio cuenta de que la aceleración de la gravedad es proporcional a la masa del cuerpo atrayente.[28] La combinación de estas ideas da una fórmula que relaciona la masa (M_\oplus) Y el radio (R_\oplus) De la Tierra a la aceleración de la gravedad:

\vec{g}=-\frac{GM_\oplus}{{R_\oplus}^2} \hat{r}

donde la dirección del vector viene dada por \hat{r}, La vector unitario dirigido hacia fuera del centro de la Tierra.[10]

En esta ecuación, una dimensión constante G se utiliza para describir la fuerza relativa de la gravedad. Esta constante ha llegado a ser conocido como La gravitación universal de Newton constante,[29] aunque su valor era desconocido en la vida de Newton. No fue hasta 1798 Henry Cavendish capaz de hacer la primera medición de G utilizando un torsión equilibrio, Lo que se informó ampliamente en la prensa como una medida de la masa de la Tierra desde el conocimiento de la G podría permitir una solución a la masa de la Tierra, dada la ecuación anterior. Newton, sin embargo, se dio cuenta de que, dado que todos los cuerpos celestes siguieron el mismo leyes del movimiento, La ley de la gravedad tuvo que ser universal. Sucintamente, Ley de Newton de la gravitación establece que la fuerza sobre un objeto esférico de masa m1 debido a la atracción gravitatoria de la masa m2 es

\vec{F}=-\frac{Gm_{1}m_{2}}{r^2} \hat{r}

donde r es la distancia entre los centros de los dos objetos “de la masa y \hat{r} es el vector unitario apuntando en la dirección del centro del primer objeto hacia el centro del segundo objeto.[10]

Esta fórmula fue lo suficientemente potente como para presentarse como la base para todas las descripciones posteriores de movimiento dentro del sistema solar hasta el siglo XX. Durante ese tiempo, los métodos sofisticados de perturbación análisis[30] se inventaron para calcular las desviaciones de órbitas debido a la influencia de los órganos múltiples en una planeta, luna, cometaO asteroide. El formalismo fue exactamente lo suficiente para permitir que los matemáticos para predecir la existencia del planeta Neptuno antes de que se observó.[31]

No fue hasta la órbita del planeta Mercurio que la Ley de Newton de la gravitación no parecía explicar por completo. Algunos astrofísicos predijo la existencia de otro planeta (Vulcano) Que explicaría las discrepancias, sin embargo, a pesar de los primeros indicios, ningún planeta como pudo ser encontrado. Cuando Albert Einstein finalmente, formuló su teoría de la la relatividad general (GR) que dirigió su atención al problema de la órbita de Mercurio y descubrió que su teoría agregó una corrección que podría explicar la discrepancia. Esta fue la primera vez que la Teoría de Gravedad de Newton había demostrado ser menos correcto que una alternativa.[32]

Desde entonces, y hasta ahora, la relatividad general ha sido reconocida como la teoría que mejor explica la gravedad. En los recursos genéticos, la gravitación no es visto como una fuerza, sino más bien, objetos que se mueven libremente en los campos gravitatorios de viaje bajo su propia inercia en líneas rectas a través de espacio-tiempo curvo - Definido como el camino más corto espacio de tiempo entre dos eventos del espacio-tiempo. Desde la perspectiva del objeto, todo movimiento se produce como si no existiera la gravedad alguna. Es sólo cuando se observa el movimiento en un sentido global que la curvatura del espacio-tiempo puede ser observado y la fuerza se infiere de trayectoria curva del objeto. Por lo tanto, el camino en línea recta en el espacio-tiempo es visto como una línea curva en el espacio, y se llama el balísticos trayectoria del objeto. Por ejemplo, un baloncesto lanzado de la tierra se mueve en un parábola, Como lo es en un campo gravitatorio uniforme. Su trayectoria espacio-tiempo (cuando la dimensión extra ct es el original) es casi una línea recta, ligeramente curvada (con la radio de curvatura del orden de unos pocos de años-luz). La derivada temporal de la dinámica cambiante del objeto es lo que se etiqueta como “fuerza gravitacional”.[3]

Las fuerzas electromagnéticas

La fuerza electrostática fue descrita por primera vez en 1784 por Coulomb como una fuerza intrínseca que existía entre dos cargos.[33] Las propiedades de la fuerza electrostática que fueron variados como un ley del cuadrado inverso se indica en el dirección radial, Era a la vez atractivo y repulsivo (había intrínseca polaridad), Era independiente de la masa de los objetos cargados, y siguió la principio de superposición. Ley de Coulomb unifica todas estas observaciones en una frase breve.[34]

Tras matemáticos y los físicos que se encuentran la construcción de la campo eléctrico ser útil para determinar la fuerza electrostática de una carga eléctrica en cualquier punto del espacio. El campo eléctrico se basa en el uso de un hipotético “prueba de carga”En cualquier lugar en el espacio y luego usando la Ley de Coulomb para determinar la fuerza electrostática.[35] Por lo tanto el campo eléctrico en cualquier lugar en el espacio se define como

\vecĒ = {\vec{F} \over{q}}

donde q es la magnitud de la carga de prueba hipotética.

Mientras tanto, el Fuerza de Lorentz de magnetismo se descubrió que existe entre dos corrientes eléctricas. Tiene el mismo carácter matemático como la Ley de Coulomb con la salvedad de que las corrientes iguales se atraen y repelen a diferencia de las corrientes. Al igual que el campo eléctrico, la campo magnético se puede utilizar para determinar la fuerza magnética sobre una corriente eléctrica en cualquier punto del espacio. En este caso, la magnitud del campo magnético se determinó que era

B = {F \over{I \ell}}

donde I es la magnitud de la prueba de hipótesis actuales y \ell es la longitud del cable hipotético por el que fluye la corriente de prueba. El campo magnético ejerce una fuerza sobre todos los imanes incluyendo, por ejemplo, los utilizados en brújulas. El hecho de que la campo magnético de la Tierra se alinea estrechamente con la orientación de la de la Tierra eje causas imanes brújula para orientarse por la fuerza magnética tirando de la aguja.

A través de la combinación de la definición de la corriente eléctrica como la velocidad de variación de la carga eléctrica, una norma de la multiplicación de vectores llamada Ley de Lorentz describe la fuerza sobre una carga en movimiento en un campo magnético.[35] La conexión entre la electricidad y el magnetismo permite la descripción de un sistema unificado fuerza electromagnética que actúa sobre una carga. Esta fuerza puede ser escrito como la suma de la fuerza electrostática (debido al campo eléctrico) y la fuerza magnética (debido al campo magnético). Totalmente dicho, esta es la ley:

\vec{F} = q(\vecĒ + \vec{v} \times \vec{B})

donde \vec{F} es la fuerza electromagnética, q es la magnitud de la carga de la partícula, \vecĒ es el campo eléctrico, \vec{v} es el velocidad de la partícula que se cruzado con el campo magnético (\vec{B}).

El origen de los campos eléctricos y magnéticos no se explica completamente hasta 1864, cuando James Clerk Maxwell unificado una serie de teorías anteriores en un conjunto de 20 ecuaciones escalares, que se modificaron más tarde en cuatro ecuaciones vectoriales por Oliver Heaviside y Willard Gibbs.[36] Estos “Las ecuaciones de Maxwell”Describe completamente las fuentes de los campos como derechos de parado y en marcha, y las interacciones de los propios campos. Esto llevó a Maxwell a descubrir que los campos eléctricos y magnéticos podría ser” auto-generar “a través de un ola que se circule a una velocidad que calcula que el velocidad de la luz. Esta visión unidos los campos nacientes de la teoría electromagnética con óptica y condujo directamente a una descripción completa de la espectro electromagnético.[37]

Sin embargo, en un intento de reconciliar la teoría electromagnética con dos observaciones, la efecto fotoeléctrico, Y la inexistencia de la catástrofe ultravioleta, Resultó ser problemático. A través de los trabajos de eminentes físicos teóricos, una nueva teoría del electromagnetismo fue desarrollado utilizando la mecánica cuántica. Esta modificación final a la teoría electromagnética en última instancia llevó a electrodinámica cuántica (O QED), que describe completamente todos los fenómenos electromagnéticos como mediada por partículas de onda se conoce como fotones. En QED, los fotones son las partículas de cambio fundamental que describe todas las interacciones relacionadas con el electromagnetismo como la fuerza electromagnética.[38]

Es un error común de atribuir a la rigidez y la rigidez de materia sólida a la repulsión de cargas iguales bajo la influencia de la fuerza electromagnética. Sin embargo, estas características en realidad el resultado de la Principio de Exclusión de Pauli. Como los electrones son fermiones, No pueden ocupar el mismo la mecánica cuántica del estado como otros electrones. Cuando los electrones en un material están densamente empaquetadas, no son lo suficientemente bajos estados cuánticos de energía mecánica para todos ellos, por lo que algunos de ellos deben estar en los estados de energía más alto. Esto significa que se necesita energía para embalarlos juntos. Aunque este efecto se manifiesta macroscópicamente como una fuerza estructural, es técnicamente sólo el resultado de la existencia de un conjunto finito de estados electrónicos.

Fuerzas nucleares

Hay dos “fuerzas nucleares”, que hoy suelen ser calificadas como las interacciones que tienen lugar en las teorías cuánticas de la física de partículas. La la fuerza nuclear fuerte[39] es la fuerza responsable de la integridad estructural de los núcleos atómicos mientras que el fuerza nuclear débil[40] es responsable de la decadencia de ciertas nucleones en leptones y otros tipos de hadrones.[3]

La fuerza fuerte es hoy entendido como representación de la interacciones entre los quarks y gluones según lo detallado por la teoría de la cromodinámica cuántica (QCD).[41] La fuerza fuerte es la fuerza fundamental mediada por gluones, Que actúa sobre los quarks, antiquarks, Y el gluones ellos mismos. La interacción (bien llamado) fuerte es “más fuerte” de las cuatro fuerzas fundamentales.

La fuerza fuerte sólo actúa directamente sobre las partículas elementales. Sin embargo, un residuo de la fuerza se observa entre hadrones (El ejemplo más conocido es la fuerza que actúa entre nucleones en el núcleo atómico) como el fuerza nuclear. Aquí la fuerza nuclear fuerte actúa indirectamente, transmitida como gluones que forman parte de la pi virtual y rho mesones que clásicamente transmitir la fuerza nuclear (ver este tema para más). El fracaso de muchas búsquedas para quarks libres ha demostrado que las partículas elementales afectados no son directamente observables. Este fenómeno se llama color de reclusión.

La fuerza débil se debe al intercambio de los pesados Bosones W y Z. Su efecto más conocido es desintegración beta (De neutrones en el núcleo atómico) y el correspondiente radiactividad. La palabra “débil” deriva del hecho de que la intensidad de campo es un 1013 veces menor que el de la la fuerza fuerte. Sin embargo, es más fuerte que la gravedad en distancias cortas. Una teoría electrodébil coherente también se ha desarrollado lo que demuestra que las fuerzas electromagnética y la fuerza débil son indistinguibles a temperaturas superiores a aproximadamente 1015 kelvin. Estas temperaturas han sido investigados en los modernos aceleradores de partículas y mostrar las condiciones de la universo en los primeros momentos de la Big Bang.

Las fuerzas no fundamentales

Algunas fuerzas son las consecuencias de los derechos fundamentales. En tales situaciones, modelos idealizados se puede utilizar para obtener una visión física.

Fuerza normal

La fuerza normal es la fuerza de repulsión de la interacción entre los átomos en estrecho contacto. Cuando sus nubes electrónicas se solapan, la repulsión de Pauli (debido a fermiónico naturaleza de electrones) Sigue dando lugar a la fuerza que actúa normales a la interfaz de la superficie entre dos objetos.[42] La fuerza normal, por ejemplo, es responsable de la integridad estructural de las mesas y pisos, además de ser la fuerza que responde cada vez que una fuerza externa empuja un objeto sólido. Un ejemplo de la fuerza normal en la acción es la fuerza del impacto de un objeto chocar contra una superficie inmóvil.[3]

Fricción

La fricción es una fuerza de superficie que se opone al movimiento relativo. La fuerza de fricción está directamente relacionada con la fuerza normal que actúa para mantener dos objetos sólidos separados en el punto de contacto. Hay dos clasificaciones generales de las fuerzas de fricción: fricción estática y rozamiento cinético.

La fuerza de fricción estática (Fsf) Exactamente se opondrá a las fuerzas aplicadas a un objeto paralelo a una superficie de contacto hasta el límite especificado por el coeficiente de fricción estática (μsf) Multiplicado por la fuerza normal (FN). En otras palabras, la magnitud de la fuerza de fricción estática satisface la desigualdad:

0 \le F_{\mathrm{sf}} \le \mu_{\mathrm{sf}} F_\mathrm{N}.

La fuerza de fricción cinética (Fkf) Es independiente de las fuerzas aplicadas y el movimiento del objeto. Por lo tanto, la magnitud de la fuerza es igual a:

Fkf = ΜkfFN,

donde μkf es el coeficiente de rozamiento cinético. Para la mayoría de interfaces de superficie, el coeficiente de fricción cinética es menor que el coeficiente de fricción estática.[3]

La tensión

las fuerzas de tensión puede ser modelado utilizando cadenas ideal que no tienen masa, sin fricción, irrompible, y no extensible. Se pueden combinar con el ideal poleas que permiten cadenas ideal para cambiar la dirección física. cadenas Ideal transmitir fuerzas de tensión instantánea en pares de acción-reacción de modo que si dos objetos están conectados por una cadena ideal, una fuerza dirigida a lo largo de la cadena por el primer objeto se acompaña de una fuerza dirigida a lo largo de la cadena en la dirección opuesta por el segundo objeto .[43] Mediante la conexión de los tiempos misma cadena múltiple para el mismo objeto a través del uso de un montaje que utiliza poleas móviles, la fuerza de tensión en una carga se pueden multiplicar. Para cada cadena que actúa sobre una carga, otro factor de la fuerza de tensión en la cadena de actos de la carga. Sin embargo, a pesar de que estas máquinas permiten una aumento de la fuerza, Hay un aumento correspondiente en la longitud de la cadena que debe ser desplazada con el fin de mover la carga. Estos efectos tándem resultado en última instancia, en el conservación de la energía mecánica ya que el trabajo realizado sobre la carga es el mismo sin importar la complejidad de la máquina.[3][44]

la fuerza elástica

Una fuerza elástica actúa para devolver un primavera a su longitud natural. Un resorte ideal se considera sin masa, sin fricción, irrompibles, y elástico hasta el infinito. Tales resortes ejercen fuerzas que empujan al contratado, o tirar cuando se extiende, en proporción a la desplazamiento del resorte de su posición de equilibrio.[45] Esta relación lineal fue descrito por Robert Hooke en 1676, para los que la ley de Hooke se llama. Si Δx es el desplazamiento, la fuerza ejercida por un resorte ideal es igual a:

\vec{F}=-k \Delta \vec{x}

donde k es la constante del resorte (o constante de fuerza), que es propio de la primavera. Las cuentas signo menos de la tendencia de la fuerza para actuar en oposición a la carga aplicada.[3] [edición] Continuo de la mecánica Cuando la fuerza de arrastre (Fd) Asociadas a la resistencia del aire es igual en magnitud a la fuerza de la gravedad sobre un objeto que cae (Fg), El objeto llega a un estado de equilibrio dinámico en terminal de la velocidad. Artículos principales: Presión, Arrastre (física), Y El estrés (mecánica)

las leyes de Newton y la mecánica newtoniana, en general, se desarrollaron primero en describir cómo las fuerzas afectan idealizado partículas puntuales en lugar de objetos tridimensionales. estructura Sin embargo, en la vida real, la materia se ha extendido y las fuerzas que actúan sobre una parte de un objeto puede afectar a otras partes de un objeto. Para situaciones en red que mantenga unidos los átomos en un objeto es capaz de fluir, el contrato, ampliar, cambiar de forma o de otra manera, las teorías de mecánica de medios continuos describir las fuerzas afectará en modo alguno el material. Por ejemplo, en la extendida fluidos, Las diferencias en la presión resultado de las fuerzas que se dirige a lo largo de la presión gradientes de la siguiente manera:

\frac{\vec{F}}{V} = - \vec{\nabla} P

donde V es el volumen del objeto en el líquido y P es el función escalar que describe la presión en todos los lugares en el espacio. gradientes de presión y resultado de las diferencias en el fuerza de empuje para los líquidos en suspensión en los campos gravitatorios, vientos en ciencias de la atmósfera, Y el ascensor asociadas a aerodinámica y vuelo.[3]

Un ejemplo específico de tal fuerza que se asocia con presión dinámica es la resistencia del fluido: una fuerza de cuerpo que se opone al movimiento de un objeto a través de un líquido debido a viscosidad. Por lo que se llama “arrastre de Stokes”La fuerza es aproximadamente proporcional a la velocidad, pero de sentido opuesto:

\vec{F}_\mathrm{d} = - b \vec{v} \,

donde:

b es una constante que depende de las propiedades del líquido y las dimensiones del objeto (normalmente el área de sección transversal), Y

\vec{v} es la velocidad del objeto.[3]

Mas formalmente, las fuerzas de mecánica de medios continuos se describen con detalle por un el estrés tensor con términos que son más o menos definido como

\sigma = \frac{F}Ā

donde Un es el área en cuestión transversal para el volumen para el que se desarrolla el estrés tensor calculado. Este formalismo incluye términos de presión asociada con las fuerzas que actúan normal a la superficie de la sección (el diagonales de la matriz del tensor), así como cortante términos asociados con las fuerzas que actúan paralelo a la sección transversal (los elementos fuera de la diagonal). Las cuentas tensor de tensiones para las fuerzas que hacen que todos los deformaciones incluyendo también tensiones de tracción y compresiones.

las fuerzas ficticias

Hay fuerzas que están marco de dependientes, Lo que significa que aparecen debido a la adopción de la no-newtoniano (es decir, no inercial) marcos de referencia. Esas fuerzas incluyen el la fuerza centrífuga y el Fuerza de Coriolis.[46] Estas fuerzas se consideran ficticia, ya que no existen en los marcos de referencia que no se están acelerando.[3]

En la relatividad general, gravedad se convierte en una fuerza ficticia que surge en situaciones en las que el espacio-tiempo se desvía de una geometría plana. Como una extensión, Kaluza-Klein la teoría y la la teoría de cuerdas atribuyen el electromagnetismo y la otra fuerzas fundamentales respectivamente, a la curvatura de las dimensiones de diferente escala, que en última instancia, implica que todas las fuerzas son ficticios.

Rotaciones y el par

Las fuerzas que causan los objetos extendidos para rotar se asocian con pares. Matemáticamente, el torque sobre una partícula se define como la entre productos:

\vec{\tau} = \vec{r} \times \vec{F}

donde

\vec{r} es la partícula posición del vector en relación con un pivote

\vec{F} es la fuerza que actúa sobre la partícula. El torque es el equivalente a la rotación de la fuerza de la misma manera que ángulo es el equivalente de rotación para posición, velocidad angular de velocidad, Y momento angular de impulso. Todos los tratamientos formales de las leyes de Newton que se aplica a las fuerzas del equivalente aplicables a pares. Por lo tanto, como consecuencia de la Primera Ley de Newton del movimiento, existe la inercia de rotación que garantice que todos los cuerpos mantienen su momento angular a menos que actúe sobre él una torsión no balanceada. Del mismo modo, la segunda ley de Newton del movimiento se puede utilizar para obtener una definición alternativa de par:

\vec{\tau} = I\vec{\alpha}

donde

I es el momento de inercia de la partícula

\vec{\alpha} es la aceleración angular de la partícula.

Esto proporciona una definición para el momento de inercia que es el equivalente rotacional de la masa. En los tratamientos más avanzados de la mecánica, el momento de inercia actúa como un tensor que, cuando son correctamente analizados, totalmente determina las características de las rotaciones incluidas precesión y nutación.

Tercera Ley de Newton del movimiento requiere que todos los objetos de ejercer ellos mismos pares de experiencia pares iguales y opuestos,[48] y por lo tanto también implica directamente la conservación del momento angular para los sistemas cerrados que las rotaciones experiencia y revoluciones a través de la acción de pares internos.

La fuerza centrípeta

Para acelerar un objeto en movimiento circular, la fuerza no equilibrada actúa sobre el objeto es igual a:[49]

\vec{F} = - \frac{mv^2 \hat{r}}{r}

donde m es la masa del objeto, v es la velocidad del objeto y r es la distancia al centro de la trayectoria circular y \hat{r} es el vector unitario apuntando en la dirección radial hacia el exterior del centro. Esto significa que la fuerza centrípeta desequilibrada sentido por cualquier objeto está siempre dirigida hacia el centro de la trayectoria curva. Estas fuerzas actúan perpendicularmente al vector de velocidad asociadas con el movimiento de un objeto, y por lo tanto no cambia la velocidad del objeto (magnitud de la velocidad), pero sólo la dirección del vector de velocidad. La fuerza no equilibrada que acelera un objeto puede ser resuelto en un componente que es perpendicular a la ruta, y que es tangencial a la trayectoria. Esto produce tanto la fuerza tangencial que acelera el objeto, ya sea que la ralentización o aceleración hacia arriba y el radial (centrípeta) la fuerza que cambia su dirección.[3]

La energía potencial

En lugar de una fuerza, a menudo el concepto de una relación matemática de un energía potencial campo puede ser utilizado por conveniencia. Por ejemplo, la fuerza gravitacional que actúa sobre un objeto puede ser visto como la acción de la campo gravitatorio que está presente en el lugar del objeto. Reafirmar matemáticamente la definición de la energía (a través de la definición de trabajo), Un potencial campo escalar U(\vec{r}) se define como el campo cuyo gradiente es igual y opuesta a la fuerza producida en cada punto:

Las fuerzas pueden ser clasificadas como conservador o no conservativo. Las fuerzas conservadoras son equivalentes a la pendiente de una potencial mientras que las fuerzas no conservadoras no lo son.[3]

Las fuerzas conservadoras

Una fuerza conservadora que actúa en un sistema cerrado tiene una mecánica de trabajo asociado que permite que la energía para convertir sólo entre cinética o potencial formas. Esto significa que para un sistema cerrado, la red energía mecánica se conserva siempre que actúa una fuerza conservadora en el sistema. La fuerza, por lo tanto, se relaciona directamente con la diferencia de energía potencial entre dos lugares diferentes en el espacio,[53] y puede ser considerado como un artefacto del campo potencial de la misma manera que la dirección y la cantidad de un flujo de agua puede ser considerada como un artefacto de la contorno del mapa de la elevación de una zona.[3]

Las fuerzas conservadoras incluyen gravedad, La electromagnéticos la fuerza, y la primavera la fuerza. Cada una de estas fuerzas tiene modelos que dependen de una posición a menudo como un vectores radiales \vec{r} que emanan de simetría esférica potenciales.

fuerzas no conservativas

Para ciertos escenarios físicos, es imposible que las fuerzas de modelo como debido a un gradiente de potencial. Esto es a menudo debido a consideraciones macrofísico que producen las fuerzas como el resultado de una media estadística de macroscópica microestados. Por ejemplo, la fricción es causada por los gradientes de numerosos potenciales electrostáticos entre los átomos, Pero se manifiesta como un modelo de fuerza que es independiente de cualquier vector de posición macroescala. fuerzas no conservativas que no sea la fricción incluir otros fuerzas de contacto, la tensión, compresión, Y arrastre. Sin embargo, para cualquier descripción suficientemente detallada, todas estas fuerzas son los resultados de los conservadores, ya que cada una de estas fuerzas macroscópicas son los resultados netos de los gradientes de los potenciales microscópicos.[3]

La conexión entre macroscópica fuerzas no conservadoras y las fuerzas conservadoras microscópica se describe mediante un tratamiento detallado con la mecánica estadística. En macroscópica sistemas cerrados, fuerzas no actuar para cambiar el energías internas del sistema, y son a menudo asociados a la transferencia de el calor. De acuerdo con la Segunda Ley de la Termodinámica, Fuerzas no son necesariamente el resultado de las transformaciones de energía dentro de sistemas cerrados de la orden de más condiciones al azar como entropía aumenta.[3]

Unidades de medida

La SI unidad de fuerza es la newton (Símbolo N), que es la fuerza necesaria para acelerar una masa de un kilogramo a razón de un metro por segundo al cuadrado · m, o kg · s−2.[55] El correspondiente CGS unidad es el dina, La fuerza necesaria para acelerar una masa de un gramo por un centímetro por segundo al cuadrado, o el s · g · cm−2. Un newton es, pues, igual a 100.000 dinas.

La gravedad pie-libra-segundo unidad de Inglés de la fuerza es la libra-fuerza (Libras), definida como la fuerza ejercida por la gravedad en un libras de masa en el gravitacional estándar campo de la m · s 9,80665−2.[55] La libra-fuerza ofrece una alternativa de unidad de masa: una babosa es la masa que va a adelantar un pie por segundo al cuadrado, cuando actuó por una libra de fuerza.[55]

Una unidad alternativa de la fuerza en un sistema diferente pie-libra-segundo, el sistema fps absoluta, es el poundal, Que se define como la fuerza necesaria para acelerar una masa de una libra a un ritmo de un pie por segundo al cuadrado.[55] Las unidades de babosa y poundal están diseñados para evitar una constante de proporcionalidad en la segunda ley de Newton.

La libra de fuerza tiene una contraparte métricas, con menos frecuencia que el newton: el kilogramo-fuerza (Kgf) (a veces kilopondios), es la fuerza ejercida por la gravedad de serie en un kilogramo de masa.[55] El kilogramo-fuerza conduce a un suplente, pero rara vez se utiliza la unidad de masa: el babosa métricas (A veces una taza o HYL) es que la masa que se acelera a 1 m / s−2 cuando se somete a una fuerza de 1 kgf. El kilogramo-fuerza no es una parte del moderno sistema SI, y es generalmente en desuso, pero que todavía ve el uso para ciertos fines como la expresión de propulsión, bicicleta habló tensión, configuración de par de apriete y el par de salida del motor. Otras unidades de la fuerza arcana incluir la sthène lo que equivale a 1000 N y la dormir lo que equivale a 1000 libras.

Force. (2011, January 18). In Wikipedia, The Free Encyclopedia. Retrieved 19:18, January 18, 2011, from http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Force&oldid=408581774

Fuerza

Historia de fuerza fue por Arquímedes. Galileo Galilei (1602 - 1607) realizó experimentos con esferas rodando por un plano inclinado para refutar la teoría del movimiento de Aristóteles. Se considera que el primero que formuló matemáticamente la moderna definición de fuerza fue Isaac Newton, aunque también usó el término latino vis ‘fuerza’ para otros conceptos diferentes. Además, Isaac Newton postuló que las fuerzas gravitatorias variaban según la ley de la inversa del cuadrado.

Charles Coulomb fue el primero que comprobó que la interacción entre cargas eléctricas puntuales variaba también según la ley de la inversa del cuadrado (1784).

Henry Cavendish fue el primero que logró medir experimentalmente(1798) la fuerza de la gravedad entre dos masas pequeñas, usando una balanza de torsión, gracias a lo cual pudo encontrarse el valor de la constante de la gravitación universal y, por tanto, pudo calcular la masa de la Tierra. Con el desarrollo de la electrodinámica cuántica a mediados del siglo XX se constató que “fuerza” era una magnitud puramente macroscópica, surgida de la conservación del momento para partículas elementales. Por esa razón las llamadas fuerzas fundamentales suelen denominarse “interacciones fundamentales”.

Aristóteles y otros creyeron que el “estado natural” de los objetos materiales en la esfera terrestre era el reposo y que los cuerpos tendían, por sí mismos, hacia ese estado si no se actuaba sobre ellos de ningún modo. De acuerdo con Aristóteles la perseverancia del movimiento requería siempre una causa eficiente algo que parece concordar con la experiencia cotidiana, donde las fuerzas de fricción nos pasan desapercibidas). De hecho la primera ley de Newton, que contradice la tesis de Aristóteles, y según la cual un objeto sobre el que no actúa ninguna fuerza permanece en movimiento inalterado, no resulta obvia para la mayoría de personas que la oyen por primera vez.

The source of this article is Wikipedia, the free encyclopedia. The text of this article is licensed under the GFDL.


Mis sitios nuevos:
Emprendedores
Politica de Privacidad