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Force

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Renseignements g??n??raux

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Forces sont souvent d??crits comme pousse ou tire. Ils peuvent ??tre dus ?? des ph??nom??nes tels que la gravit?? , le magn??tisme , ou toute autre chose qui provoque une masse d'acc??l??rer.

Dans la physique , la force est ce qui provoque une masse ?? acc??l??rer et est v??cue comme une pouss??e ou une traction. La somme vectorielle de toutes les forces agissant sur un corps (connu sous le nom force nette ou force r??sultante) est proportionnelle ?? l'acc??l??ration et la masse du corps. Dans un corps ??tendu, la force peut aussi causer rotation, d??formation, ou un changement de pression. Effets de rotation sont d??termin??s par le couples, tandis que la d??formation et la pression sont d??termin??es par la souligne que les forces cr??ent.

La force nette est math??matiquement identique au temps taux de changement de la dynamique du corps sur lequel il agit. Depuis l'??lan est un vecteur quantit?? (ce est ?? dire, il a ?? la fois une ampleur et direction), la force est ??galement une quantit?? de vecteur.

Le concept de la force a ??t?? utilis??e dans Statique et dynamique depuis les temps anciens. Ce qui est connu sur les anciennes contributions ?? la statique est g??n??ralement dit avoir culmin?? avec le travail de Archim??de dans le 3??me si??cle avant JC, qui fait toujours partie de la physique moderne. En revanche, d'Aristote la dynamique incorpor??s malentendus intuitives du r??le de la force qui ont finalement ??t?? corrig?? dans le 17??me si??cle culminant dans le travail de Isaac Newton . Suite au d??veloppement de la m??canique quantique et de la mod??le standard de la physique des particules , il est d??sormais entendu que les forces associ??es ?? des changements dans la dynamique de particules sont la cons??quence de interactions fondamentales qui accompagnent l'??mission ou l'absorption de bosons de jauge. Sur les grandes ??chelles, les forces sont per??us avec plus de pr??cision attribuable ?? la courbure de espace-temps comme explicit?? dans Einstein de la th??orie de la relativit?? g??n??rale . En la physique moderne, seulement quatre interactions fondamentales sont connus; par ordre d??croissant de force, ils sont les suivants: [force forte | strong]], ??lectromagn??tique , faible, et gravitationnelle. physique des particules de haute ??nergie observations dans ann??es 1970 et 1980 ont confirm?? que les forces faible et ??lectromagn??tique sont des expressions d'un unifi??e l'interaction ??lectrofaible.

Concepts pr??-newtoniens

Aristote d??crit c??l??bre une force que tout ce qui provoque un objet ?? subir "mouvement naturel"

De l'Antiquit??, la notion de force a ??t?? reconnue comme partie int??grante du fonctionnement de chacun des machines simples. Le avantage m??canique donn??e par une machine simple permis de moins de force pour ??tre utilis?? en ??change de cette force agissant sur une distance plus grande. L'analyse des caract??ristiques des forces en tant que tels, finalement abouti dans le travail de Archim??de qui ??tait surtout c??l??bre pour la formulation d'un traitement de les forces de flottabilit?? inh??rents ?? fluides.

Philosophique d??veloppement du concept d'une force proc??d?? gr??ce au travail de Aristote . En Cosmologie Aristotleian, le monde naturel a tenu quatre ??l??ments qui existaient dans "??tat naturel". Aristote croyait que ce ??tait l'??tat naturel des objets massifs sur la Terre , comme l'eau et la terre ??l??ments, ??tre immobile sur le sol et qu'ils tend vers cet ??tat il est laiss?? seul. Il distingue entre la tendance inn??e d'objets ?? trouver leur ??lieu naturel?? (par exemple, pour les organismes lourdes pour tomber), qui conduisent ?? "mouvement naturel", et le mouvement naturel ou forc??, qui exigeaient l'application continue d'une force. Cette th??orie, bas??e sur l'exp??rience quotidienne de la fa??on dont les objets se d??placent, tels que l'application constante d'une force n??cessaire pour garder un panier mobile, avait de la difficult?? conceptuelle repr??sentant le comportement des projectiles, tels que le vol des fl??ches.

Ces lacunes ne seraient pas enti??rement expliqu??s et corrig??s avant que les travaux du XVIIe si??cle de Galileo Galilei , qui a ??t?? influenc?? par le regrett?? id??e m??di??vale que les objets en mouvement forc?? effectu?? une force inn??e de ??lan. Galileo construit une exp??rience dans laquelle des pierres et des boulets de canon ont ??t?? ?? la fois roul?? sur une pente de r??futer la Th??orie aristot??licienne du mouvement au d??but du 17??me si??cle . Il a montr?? que les corps ont ??t?? acc??l??r??es par gravit?? dans une mesure qui est ind??pendante de leur masse et soutenu que les objets conservent leur vitesse ?? moins sollicit?? par une force, par exemple friction.

M??canique newtonienne

Isaac Newton est reconnue comme la premi??re personne ?? plaider explicitement qu'une force constante entra??ne un taux constant de changement ( d??riv??e de temps) de l'??lan. En substance, il a donn?? la premi??re, et la seule d??finition math??matique de la force - que la d??riv??e de l'??lan: F = dp / dt . En 1687, Newton a continu?? ?? publier son Philosophiae Naturalis Principia Mathematica , qui a utilis?? les concepts de l'inertie, la force et conservation pour d??crire le mouvement de tous les objets.

Bien que Sir Isaac Newton plus c??l??bre l '??quation est F = ma , il fait ??crivit une forme diff??rente pour son deuxi??me loi du mouvement qui a utilis?? le calcul diff??rentiel.

Dans Principia Mathematica , Newton a ??nonc?? trois lois du mouvement qui ont un int??r??t direct ?? la fa??on dont les forces sont d??crits dans la physique.

Premi??re loi de Newton

Premi??re loi du mouvement de Newton ??nonce les conditions requises pour l'??quilibre et d??finit la inertie li??e ?? la masse d'un objet. En lieu et place de l'id??e aristot??licienne de "??tat naturel", Newton a propos?? que ce ??tait le manque de force nette qui ??tait ??l'??tat naturel?? fondamentale. Ceci implique directement que l'??tat de vitesse constante, que ce soit ?? z??ro ou diff??rent de z??ro, est le "??tat" de tous les objets massifs. Objets continuent de se d??placer dans un ??tat de vitesse constante ?? moins sollicit?? par une force ext??rieure d??s??quilibr??e. Dans le prolongement des travaux de Galileo, le concept d'inertie est inexorablement connect?? ?? la notion de vitesses relatives. Plus pr??cis??ment, dans les syst??mes ?? deux corps, il est impossible de d??terminer quel objet est ??en mouvement?? et qui objet est ??au repos??; il est ??quivalent ?? basculer entre ce qu'on appelle en physique "inertiel cadres de r??f??rence ".

Le concept d'inertie peut encore ??tre g??n??ralis??e pour expliquer la tendance des objets ?? poursuivre dans de nombreuses formes diff??rentes de mouvement constant, m??me ceux qui ne sont pas strictement vitesse constante. Le inertie de rotation de la Terre est ce qui fixe la constance de la dur??e d'un jour et la longueur d'un ann??es. Albert Einstein a ??tendu le principe d'inertie plus loin quand il a expliqu?? que les cadres soumis ?? une acc??l??ration constante de r??f??rence, tels que ceux en chute libre vers un objet gravitant, ??taient physiquement ??quivalente aux cadres de r??f??rence inertiels. Ce est pourquoi, par exemple, les astronautes exp??rience apesanteur quand en chute libre orbite autour de la Terre, et pourquoi les lois du mouvement de Newton sont plus facilement perceptibles dans de tels environnements. Si un astronaute place un objet massif dans les airs ?? c??t?? de elle-m??me, il restera fixe par rapport ?? l'astronaute en raison de son inertie. Ce est la m??me chose qui se produirait si l'astronaute et l'objet massif ??taient dans l'espace intergalactique sans force nette de gravit?? agissant sur leur cadre de r??f??rence partag??. Cette principe d'??quivalence a ??t?? l'un des fondements fondamentaux pour le d??veloppement de sa th??orie de la relativit?? g??n??rale .

La deuxi??me loi de Newton

Force est souvent d??finie en utilisant la deuxi??me loi de Newton , comme le produit de masse m multipli??e par l'acc??l??ration \ Vec {a} :

\ Vec {F} = m \ vec {a},

parfois appel?? la ??deuxi??me formule la plus c??l??bre de la physique". Newton n'a jamais dit explicitement la formule = ma F pour laquelle il est souvent cr??dit??. La deuxi??me loi de Newton est d??crit dans ses Principia Mathematica comme un vecteur ??quation diff??rentielle :

\ Vec {F} = \ frac {d \ vec {p}} {dt} = \ frac {d (m \ vec {v})} {dt}

o?? \ Vec {p} est la dynamique du syst??me. Force est le taux de changement de dynamique dans le temps. L'acc??l??ration est le taux de variation de vitesse au fil du temps. Ce r??sultat, qui suit en tant que cons??quence directe de la mise en garde dans la premi??re loi de Newton, montre que la croyance aristot??licienne intuitive qu'une force nette est n??cessaire pour maintenir un objet se d??pla??ant ?? vitesse constante (z??ro d'acc??l??ration donc) est objectivement mal et pas seulement la cons??quence d'un mauvais choix de d??finition.

L'utilisation de la deuxi??me loi de Newton dans l'une de ces formes comme une d??finition de la force a ??t?? d??cri??e dans certains des manuels plus rigoureuses, car cela supprime tout contenu empirique de la loi. En fait, la \ Vec {F} dans cette ??quation repr??sente la force nette (somme vectorielle); en ??quilibre ce est nul par d??finition, mais les forces (??quilibr??s) sont pr??sents n??anmoins. Au lieu de cela, la deuxi??me loi de Newton affirme seulement la proportionnalit?? de l'acc??l??ration et de la masse ?? la force, dont chacun peut ??tre d??fini sans r??f??rence explicite aux forces. Acc??l??rations peuvent ??tre d??finies par des mesures cin??matiques en masse peut ??tre d??termin??e par le biais, par exemple, compter les atomes. Cependant, alors que la cin??matique sont bien d??crits par analyse du cadre de r??f??rence en physique avanc??e, il ya encore des questions profondes qui restent ?? ce qui est la d??finition correcte de la masse. La relativit?? g??n??rale propose une ??quivalence entre espace-temps et de la masse, mais il manque une th??orie coh??rente de la gravit?? quantique, il est difficile de savoir comment ou si cette connexion est pertinente sur microbalance. Avec un peu plus de justification, la deuxi??me loi de Newton peut ??tre consid??r?? comme une d??finition quantitative de la masse en ??crivant la loi comme une ??galit??, les unit??s relatives de force et de masse sont fix??s.

La d??finition de la force est parfois consid??r??e comme probl??matique, car il doit soit finalement renvoy?? ?? notre compr??hension intuitive de nos perceptions directes, ou ??tre d??finie implicitement par un ensemble de formules math??matiques coh??rentes. Physiciens notables, des philosophes et des math??maticiens qui ont cherch?? une d??finition plus explicite comprennent Ernst Mach, Clifford et Truesdell Walter Noll.

??tant donn?? le succ??s empirique de la loi de Newton, il est parfois utilis?? pour mesurer la puissance des forces (par exemple, utilisant des orbites astronomiques pour d??terminer les forces gravitationnelles). N??anmoins, la force et les quantit??s utilis??es pour mesurer restent des concepts distincts.

Quand une r??sultante force agit sur un objet de masse constante, une acc??l??ration se traduira par le produit de sa masse et de l'acc??l??ration ??gale ?? la force r??sultante, la direction de l'acc??l??ration ??tant dans la m??me direction que celle de la force r??sultante. F = ma '

La troisi??me loi de Newton

La troisi??me loi de Newton est un r??sultat de l'application sym??trie situations o?? les forces peuvent ??tre attribu??s ?? la pr??sence de diff??rents objets. Pour deux objets (appelez-les 1 et 2), la troisi??me loi de Newton affirme que

\ Vec {F} _ {\ mathrm {1 sur 2}} = - \ vec {F} _ {\ mathrm {2}} sur une.

Cette loi implique que les forces se produisent toujours par paires action-r??action. Toute force qui est appliqu??e ?? opposer une due ?? l'action de l'objet 2 est automatiquement accompagn??e d'une force appliqu??e ?? opposer deux en raison de l'action de l'objet 1. Si l'objet 1 et l'objet deux sont consid??r??s comme dans le m??me syst??me, le force nette sur le syst??me en raison des interactions entre les objets 1 et 2 est nul car

\ Vec {F} _ {\ mathrm {1 sur 2}} + \ vec {F} _ {\ mathrm {2}} sur une = 0 .

Cela signifie que les syst??mes ne peuvent pas cr??er forces internes qui sont d??s??quilibr??s. Toutefois, si les objets 1 et 2 sont consid??r??es comme dans des syst??mes s??par??s, puis les deux syst??mes seront Chaque exp??rience une force d??s??quilibr??e et acc??l??rer par rapport ?? l'autre en fonction de la deuxi??me loi de Newton.

Combinant deuxi??me et troisi??me lois de Newton, il est possible de montrer que la quantit?? de mouvement d'un syst??me est conserv??e . Utilisation

\ Vec {F} _ {\ mathrm {1 sur 2}} = \ frac {d \ vec {p} _ {\ mathrm {1 le 2}}} {dt} = - \ vec {F} _ {\ mathrm {2} sur une} = - \ frac {d \ vec {p} _ {\ mathrm {2 sur une}}} {dt}

et l'int??gration par rapport au temps, l'??quation:

\ Delta {\ vec {p} _ {\ mathrm {1 sur 2}}} = - \ Delta {\ vec {p} _ {\ mathrm {2 sur 1}}}

est obtenu. Pour un syst??me qui inclut des objets 1 et 2,

\ Sum {\ Delta {\ vec {p}}} = \ Delta {\ vec {p} _ {\ mathrm {1 sur 2}}} + \ Delta {\ vec {p} _ {\ mathrm {2 sur 1 }}} = 0

qui est la conservation de la quantit?? de mouvement. La g??n??ralisation ?? un syst??me d'un nombre arbitraire de particules est simple. Cela montre que l'??change dynamique entre les objets constitutifs ne affectera pas l'impulsion nette d'un syst??me. En g??n??ral, tant que toutes les forces sont dues ?? l'interaction des objets massifs, il est possible de d??finir un syst??me tel que l'??lan net ne est jamais perdu ni gagn??.

??Si un corps exerce une force F sur le corps B, puis B corps exerce une force de -F (de taille ??gale, mais en sens inverse) sur le corps A. '

Descriptions

Diagrammes du corps libre d'un objet sur une surface plane et une surface inclin??e. Forces sont r??solues et additionn??es pour d??terminer leur ampleur et la r??sultante.

Forces peuvent ??tre directement per??ues comme pousse ou tire; ce qui peut fournir un cadre pour d??crire les forces intuitive. Comme avec d'autres concepts physiques (par exemple de temp??rature ), la notion intuitive est quantifi??e ?? l'aide d??finitions op??rationnelles qui sont conformes ?? la perception directe, mais sont plus pr??cis (voir la section sur la m??canique newtonienne pour savoir comment cela se fait ). Historiquement, les forces ont d'abord ??t?? ??tudi??s quantitativement dans des conditions de ??quilibre statique lorsque plusieurs forces mutuellement annul??es. Ces exp??riences prouvent les propri??t??s cruciales que les forces sont additives vecteur quantit??s: ils ont ampleur et direction. Lorsque deux forces agissent sur un objet, la force r??sultante, la r??sultante, est la somme vectorielle des forces d'origine. Ceci est appel?? le principe de superposition. L'ampleur de la r??sultante varie de la diff??rence des amplitudes des deux forces ?? leur somme, en fonction de l'angle entre leurs lignes d'action. La force r??sultante peut ??tre d??termin??e en suivant le r??gle de parall??logramme de l'addition de vecteur: l'ajout de deux vecteurs repr??sent??s par des c??t??s d'un parall??logramme, donne un vecteur r??sultant ??quivalent qui est ??gale en grandeur et direction ?? la transversale du parall??logramme.

Diagrammes de corps libres peuvent ??tre utilis??s comme un moyen pratique de garder une trace des forces agissant sur un syst??me. Id??alement, ces diagrammes sont dessin??s avec les angles et les amplitudes relatives des vecteurs de force conserv?? de sorte que l'addition de vecteurs graphique peut ??tre effectu??e afin de d??terminer la r??sultante.

En plus d'??tre ajout??e, les forces peuvent ??galement ??tre r??solus en composantes ind??pendantes ?? angle droit par rapport ?? l'autre. Une force horizontale pointant nord peut donc ??tre divis?? en deux forces, l'une pointant vers le nord, et un pointage est. La somme de ces composants ?? l'aide de forces addition de vecteurs donne la force originale. R??soudre les vecteurs de force dans les composants d'un ensemble de vecteurs de base est souvent une fa??on plus propre ?? d??crire math??matiquement forces que d'utiliser grandeurs et les directions. Ce est parce que, pour composantes orthogonales, les composantes de la somme vectorielle est d??termin??e de fa??on unique par l'addition scalaire des composantes des vecteurs individuels. Composantes orthogonales sont ind??pendants les uns des autres; forces agissant ?? quatre vingt dix degr??s ?? l'autre ne ont aucun effet sur l'autre. Le choix d'un ensemble de vecteurs de base orthogonales est souvent fait en consid??rant quel ensemble de vecteurs de base fera les math??matiques plus commode. Le choix d'un vecteur de base qui est dans le m??me sens que l'une des forces est souhaitable, ??tant donn?? que la force aurait alors une seule composante non nulle. des vecteurs de force peut ??galement ??tre en trois dimensions, avec le troisi??me composant ?? angle droit par rapport aux deux autres composants.

Equilibres

L'??quilibre se produit lorsque la force r??sultante agissant sur un objet est ??gale ?? z??ro (ce est la somme vectorielle de toutes les forces est nul). Il existe deux types d'??quilibre: ??quilibre statique et ??quilibre dynamique.

??quilibre statique

??quilibre statique a ??t?? bien compris avant l'invention de la m??canique classique. Objets qui sont au repos ont nulle force nette agissant sur eux.

Le cas le plus simple d'??quilibre statique se produit lorsque deux forces sont ??gales en amplitude mais de sens oppos??. Par exemple, ne importe quel objet sur une surface de niveau est tir?? (attir??e) vers le bas vers le centre de la Terre par la force de gravit??. Dans le m??me temps, les forces de surface r??sister ?? la force vers le bas avec une force vers le haut ??gale (appel?? le force normale) et le r??sultat dans l'objet ayant une valeur non nulle poids. La situation est un des z??ro et aucune force nette acc??l??ration.

Poussant contre un objet sur une surface de friction peut entra??ner dans une situation o?? l'objet ne bouge pas parce que la force appliqu??e est oppos?? par frottement statique, g??n??r?? entre l'objet et la surface de la table. Pour une situation sans mouvement, la force de frottement statique ??quilibre exactement la force appliqu??e entra??ne pas d'acc??l??ration. Les augmentations de frottement statique ou diminue en r??ponse ?? la force appliqu??e jusqu'?? une limite sup??rieure d??termin??e par les caract??ristiques du contact entre la surface et l'objet.

Un ??quilibre statique entre deux forces est la fa??on la plus habituelle de mesure des forces, en utilisant des dispositifs simples tels que balances et balances ?? ressort. Par exemple, un objet suspendu ?? la verticale balance ?? ressort ??prouve la force de gravit?? agissant sur l'objet pond??r??es par une force appliqu??e par la "force de r??action de printemps?? qui est ??gale au poids de l'objet. L'utilisation de ces outils, certaines lois de force quantitatives ont ??t?? d??couverts: que la force de gravit?? est proportionnelle au volume pour les objets de constante densit?? (largement exploit??es depuis des mill??naires pour d??finir les poids standard); De principe pour la flottabilit??; Archim??de Archim??de de l'analyse de la levier; La loi de Boyle de pression de gaz; et La loi de Hooke pour les ressorts. Ils ont tous ??t?? formul??s et exp??rimentalement v??rifi??es avant Isaac Newton a expos?? ses trois lois du mouvement .

??quilibre dynamique

Galileo Galilei a ??t?? le premier ?? souligner les contradictions inh??rentes contenues dans la description d'Aristote des forces.

??quilibre dynamique a ??t?? d??crite par Galileo qui ont remarqu?? que certaines hypoth??ses de la physique aristot??licienne ont ??t?? contredites par observations et logique . Galileo est rendu compte que simple addition de vitesse exige que le concept d'une "absolue cadre repos ??ne existait pas. Galileo a conclu que le mouvement dans une constante de vitesse ??tait compl??tement ??quivalent au repos. Ce est contraire ?? la notion aristot??licienne d'un "??tat naturel" de repos que les objets massifs naturellement approch??. Des exp??riences simples montrent que la compr??hension de Galileo de l'??quivalence de la vitesse et reste constant d'??tre correcte. Par exemple, si un marin a chut?? un boulet de canon du nid de pie d'un navire se d??pla??ant ?? une vitesse constante, la physique aristot??licienne aurait le boulet de canon tombe vers le bas alors que le navire d??plac?? en dessous. Ainsi, un univers aristot??licienne, le boulet de canon tomber allait atterrir derri??re le pied du m??t d'un navire en mouvement. Toutefois, lorsque cette exp??rience est effectivement r??alis??e, le boulet de canon tombe toujours au pied du m??t, comme si le boulet de canon sait voyager avec le navire tout en ??tant s??par?? de celle-ci. Comme il ne existe aucune force horizontale vers l'avant appliqu??e sur le boulet de canon comme il tombe, la seule conclusion gauche, ce est que le boulet de canon continue ?? se d??placer ?? la m??me vitesse que le bateau comme il tombe. Ainsi, aucune force ne est n??cessaire pour maintenir le boulet de canon se d??pla??ant ?? la vitesse d'avance constante.

En outre, ne importe quel objet se d??pla??ant ?? une vitesse constante doit ??tre soumis ?? z??ro force nette (de force r??sultante). Ce est la d??finition de l'??quilibre dynamique: lorsque toutes les forces sur un ??quilibre de l'objet, mais il se d??place toujours ?? une vitesse constante.

Un cas simple d'??quilibre dynamique se produit en mouvement ?? vitesse constante sur une surface avec frottement cin??tique. Dans une telle situation, une force est appliqu??e dans la direction de d??placement tandis que la force de frottement cin??tique se oppose exactement la force appliqu??e. Il en r??sulte une force nette nulle, mais ??tant donn?? que l'objet a commenc?? avec une vitesse non nulle, il continue ?? se d??placer avec une vitesse non nulle. Aristote mal interpr??t?? cette motion comme ??tant caus??e par la force appliqu??e. Toutefois, lorsque frottement cin??tique est pris en consid??ration, il est clair qu'il n'y a pas de force nette provoquant un mouvement ?? vitesse constante.

Diagrammes de Feynman

Un diagramme de Feynman pour la d??sint??gration d'un neutron en proton. Le Boson W est entre deux sommets indiquant une r??pulsion.

Forces et l'acc??l??ration des particules dans modernes physique des particules se produisent au cours de l'??change de bosons de jauge. Avec le d??veloppement de la th??orie quantique des champs et de la relativit?? g??n??rale , on a r??alis?? que ??force?? est un concept redondant r??sultant de la conservation du moment ( 4-impulsion dans la relativit?? et l'??lan particules virtuelles dans ??lectrodynamique quantique). La conservation de l'impulsion, de Th??or??me de Noether, peut ??tre directement d??riv??e de la de sym??trie l'espace et ainsi est g??n??ralement consid??r?? comme plus fondamentale que le concept d'une force. Ainsi, le connu actuellement forces fondamentales sont consid??r??es comme plus pr??cis??ment d'??tre " interactions fondamentales ". Bien que les descriptions math??matiques sophistiqu??s sont n??cessaires pour pr??dire, en d??tail, la nature de ces interactions, il ya une fa??on conceptuellement simple pour d??crire ces interactions gr??ce ?? l'utilisation des diagrammes de Feynman. Dans un diagramme de Feynman, chaque particule de mati??re est repr??sent??e comme une ligne droite (voir ligne d'univers) voyager dans le temps qui augmente normalement vers le haut ou vers la droite dans le diagramme. Les particules de mati??re et d'antimati??re sont identiques, sauf pour leur sens de propagation ?? travers le diagramme de Feynman. lignes mondiales de particules se croisent ?? sommets d'interaction et le diagramme de Feynman repr??sente une force r??sultant d'une interaction comme se produisant au niveau du sommet avec un changement instantan?? associ??e dans la direction des lignes d'univers de particules. bosons de jauge sont ??mis loin du sommet comme des lignes ondul??es (similaires aux ondes) et, dans le cas de l'??change de particules virtuelles, sont absorb??s ?? un sommet adjacent. Lorsque les bosons de jauge sont repr??sent??es dans un diagramme de Feynman comme existant entre deux particules en interaction, ce qui repr??sente une force de r??pulsion. Lorsque les bosons de jauge sont repr??sent??es dans un diagramme de Feynman comme existant entourant les deux particules en interaction, ce qui repr??sente une force d'attraction.

L'utilit?? des diagrammes de Feynman est que d'autres types de ph??nom??nes physiques qui font partie de l'image g??n??rale de interactions fondamentales mais sont conceptuellement distincte de forces peuvent aussi ??tre d??crites en utilisant les m??mes r??gles. Par exemple, un diagramme de Feynman peut d??crire en d??tail comment une succincte neutrons se d??sint??gre en un ??lectron , proton , et neutrino: une interaction ?? m??diation par la m??me boson de jauge qui est responsable de la force nucl??aire faible. Alors que le diagramme de Feynman pour cette interaction a des caract??ristiques similaires ?? une interaction r??pulsive, la d??croissance est plus compliqu?? qu'une "force r??pulsive" simple.

Relativit?? restreinte

Dans la th??orie de la relativit?? de masse et l'??nergie sont ??quivalentes (comme on peut le voir en calculant le travail n??cessaire pour acc??l??rer un corps). Lorsque la vitesse d'un objet augmente il en va de son ??nergie et donc sa masse ??quivalente (inertie). Il faut donc plus de force pour acc??l??rer la m??me quantit?? que l'a fait ?? une vitesse inf??rieure. La d??finition \ Vec {F} = \ mathrm {d} \ vec {p} / \ mathrm {d} t reste valable. Mais afin d'??tre conserv??e, l'??lan doit ??tre red??finie comme:

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

o??

v est la vitesse et
c est la vitesse de la lumi??re .

L'expression relativiste force et l'acc??l??ration relative pour une particule non nul avec masse au repos m \, se d??pla??ant dans la x \, direction est:

F_x = \ gamma ^ 3 m A_X \,
F_y = \ gamma m ??_?? \,
F_z = \ gamma m A_Z \,

o?? le Facteur de Lorentz

\ Gamma = \ frac {1} {\ sqrt {1 - v ^ 2 / c ^ 2}}

Voici une force constante ne produit pas une acc??l??ration constante, mais une acc??l??ration diminution constante que l'objet se approche de la vitesse de la lumi??re. Notez que \ Gamma est undefined pour un objet avec une valeur non nulle masse au repos ?? la vitesse de la lumi??re, et la th??orie ne donne pas de pr??vision ?? cette vitesse.

On peut toutefois restaurer la forme de

F ^ \ mu = mA ^ \ mu \,

pour une utilisation dans la relativit?? par l'utilisation de les quatre vecteurs. Cette relation est correcte dans la relativit?? lorsque F ^ \ mu est le quatre vigueur, m est le masse invariante, et A ^ \ mu est le quatre-acc??l??ration.

Mod??les fondamentaux

Toutes les forces de l'Univers sont tous bas??s sur quatre forces fondamentales. Les forces forts et faibles ne agissent que sur de tr??s courtes distances, et sont responsables de la tenue certaine nucl??ons et compos??s noyaux ensemble. La force ??lectromagn??tique agit entre charges ??lectriques et les actes des forces gravitationnelles entre masses . Tous les autres forces sont bas??s sur l'existence des quatre interactions fondamentales. Par exemple, friction est une manifestation de la force ??lectromagn??tique agissant entre les atomes de deux les surfaces et le principe d'exclusion de Pauli, qui ne permet pas d'atomes de passer ?? travers l'un l'autre. Les forces mod??lis?? par des ressorts La loi de Hooke sont aussi le r??sultat de forces ??lectromagn??tiques et le principe d'exclusion agissant ensemble pour retourner l'objet ?? sa position d'??quilibre. Les forces centrifuges sont des forces d'acc??l??ration qui surgissent simplement ?? partir de l'acc??l??ration de rotation cadres de r??f??rence.

Le point de vue de la m??canique quantique moderne des trois premi??res forces fondamentales (tous sauf gravit??) est que les particules de la mati??re ( fermions) ne interagit pas directement avec l'autre, mais plut??t par un ??change de particules virtuelles appel??es bosons de jauge.

Ce est une id??e fausse tr??s r??pandue d'attribuer la rigidit?? et la rigidit?? de mati??re solide ?? la r??pulsion des charges comme sous l'influence de la force ??lectromagn??tique. Toutefois, ces caract??ristiques entra??nent en fait de la Principe d'exclusion de Pauli. Comme les ??lectrons sont fermions, ils ne peuvent pas occuper le m??me ??tat m??canique quantique que d'autres ??lectrons. Lorsque les ??lectrons dans un mat??riau sont dens??ment emball??s ensemble, il n'y a pas assez faible ??nergie quantique ??tats m??caniques pour tous, de sorte que certains d'entre eux doivent ??tre dans des ??tats d'??nergie plus ??lev??s. Cela signifie qu'il faut de l'??nergie pour les emballer ensemble. Bien que cet effet se manifeste macroscopiquement comme une "force" structurel, il est techniquement seulement le r??sultat de l'existence d'un ensemble fini d'??tats d'??lectrons.

Pesanteur

Un objet initialement stationnaire est autoris?? ?? tomber librement par gravit?? descend une distance qui est proportionnelle au carr?? du temps ??coul??. Une image a ??t?? prise 20 ??clairs par seconde. Au cours de la premi??re 1 / 20e de seconde, la balle tombe d'une unit?? de distance (ici, une unit?? est d'environ 12 mm); par 2 / 20ths il a chut?? au total de 4 unit??s; par 3 / 20ths, 9 unit??s et ainsi de suite.

Ce que nous appelons aujourd'hui la gravit?? n'a pas ??t?? identifi?? comme une force universelle jusqu'?? ce que le travail d'Isaac Newton. Avant Newton, la tendance pour les objets de tomber vers la Terre n'a pas ??t?? comprise ?? ??tre li??s aux mouvements des objets c??lestes. Galileo a contribu?? ?? d??crire les caract??ristiques de la chute d'objets en d??terminant que l' acc??l??ration de chaque corps chute libre est constante et ind??pendante de la masse de l'objet. Aujourd'hui, cette acc??l??ration de la pesanteur ?? la surface de la Terre est g??n??ralement d??sign?? comme \ Vec {g} et a une amplitude d'environ 9,81 m??tres par seconde au carr?? (cette mesure est prise ?? partir du niveau de la mer et peut varier selon l'endroit), et les points vers le centre de la Terre. Cette observation signifie que la force de gravit?? sur un objet ?? la surface de la Terre est directement proportionnelle ?? la masse de l'objet. Ainsi un objet qui a une masse de m subira une force:

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

En chute libre, cette force ne est pas contest??e et donc la force nette sur l'objet est la force de gravit??. Pour les objets non en chute libre, la force de gravit?? est oppos?? par le poids de l'objet. Par exemple, une personne debout sur le sol subit force nette nulle, car la force de gravit?? est compens??e par le poids de la personne qui se manifeste par une force normale exerc??e sur la personne par le sol.

La contribution ?? la th??orie de Newton gravitationnelle ??tait d'unifier les mouvements des corps c??lestes, dont Aristote avait assum??es ??taient dans un ??tat naturel de mouvement constant, sans tomber mouvement observ?? sur la Terre. Il a propos?? un loi de la gravit?? qui pourrait expliquer les mouvements c??lestes qui ont ??t?? d??crites pr??c??demment en utilisant les lois de Kepler sur le mouvement plan??taire .

Newton se est rendu compte que les effets de la gravit?? peuvent ??tre observ??s de diff??rentes mani??res ?? de plus grandes distances. En particulier, Newton a d??termin?? que l'acc??l??ration de la lune autour de la terre pourrait ??tre attribu?? ?? la m??me force de gravit?? si l'acc??l??ration due ?? la pesanteur comme une diminution de loi du carr?? inverse. En outre, Newton est rendu compte que la masse de l'objet gravitant affect?? directement l'acc??l??ration due ?? la gravit??. La combinaison de ces id??es donne une formule qui concerne la masse de la Terre ( M_ \ oplus ), Le rayon de la Terre ( R_ \ oplus ) ?? l'acc??l??ration de la pesanteur:

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

o?? la direction du vecteur est donn??e par \ Hat {r} qui est le vecteur unitaire dirig?? vers l'ext??rieur depuis le centre de la Terre.

Dans cette ??quation, une constante dimensionnelle Sol est utilis?? pour d??crire la force relative de la gravit??. Cette constante est venu ?? ??tre connu sous le nom Universal Gravitation la constante de Newton, si ce ne ??tait d'une valeur inconnue dans la vie de Newton. Pas avant 1798 ??tait Henry Cavendish en mesure de faire la premi??re mesure de Sol en utilisant un balance de torsion; cela a ??t?? largement rapport?? dans la presse comme une mesure de la masse de la Terre depuis la connaissance de la Sol pourrait permettre de r??soudre une pour la masse de la Terre ??tant donn?? l'??quation ci-dessus. Newton, cependant r??alis?? que puisque tous les corps c??lestes suivent les m??mes lois du mouvement , sa loi de gravit?? devait ??tre universelle. Dit succinctement, Loi de Newton de la gravitation entre deux corps massifs est

\ Vec {F} = - \ frac {1} {GM_ m_ {2}} {r ^ 2} \ hat {r}

o?? m_ {1} est la masse du premier objet et m_2 est la masse du second objet.

Cette formule ??tait assez puissant pour se pr??senter comme la base de toutes les descriptions suivantes du mouvement dans le syst??me solaire jusqu'au XXe si??cle. Pendant ce temps, des m??thodes sophistiqu??es de l'analyse des perturbations ont ??t?? invent??s pour calculer les ??carts de orbites en raison de l'influence de multiples organismes sur une plan??te , lune , com??te ou un ast??ro??de . Ces techniques sont si puissants qu'ils peuvent ??tre utilis??s pour pr??dire avec pr??cision le mouvement des corps c??lestes ?? une pr??cision arbitraire ?? ne importe quelle longueur de temps dans l'avenir. Le formalisme est assez exacte pour permettre math??matiques pour pr??dire l'existence de la plan??te Neptune avant qu'il ne soit observ??e.

Ce ne est que l'orbite de la plan??te Mercure que la loi de la gravitation de Newton semblait pas ?? expliquer enti??rement. Certains astrophysiciens pr??dit l'existence d'une autre plan??te ( Vulcan) qui pourrait expliquer les ??carts; Toutefois, en d??pit de quelques premi??res indications, aucune plan??te n'a pu ??tre trouv??e. Lorsque Albert Einstein a finalement formul?? sa th??orie de la relativit?? g??n??rale (GR), il tourna son attention sur le probl??me de l'orbite de Mercure et a constat?? que sa th??orie ajout?? une correction qui pourrait expliquer la diff??rence. Ce ??tait la premi??re fois que la th??orie de la gravitation de Newton avait ??t?? montr?? ?? ??tre moins bonne qu'une alternative.

Depuis lors, et jusqu'?? pr??sent, la relativit?? g??n??rale a ??t?? reconnue comme la th??orie qui explique le mieux la gravit??. En GR, la gravitation ne est pas consid??r??e comme une force, mais plut??t, des objets en mouvement librement dans les champs gravitationnels voyager sous leur propre inertie lignes droites ?? travers l'espace-temps courb?? - d??fini comme le chemin le plus court espace-temps entre deux ??v??nements espace-temps. Du point de vue de l'objet, tout mouvement se passe comme si il n'y avait pas la gravitation que ce soit. Ce est seulement quand observant le mouvement dans un sens global que la courbure de l'espace-temps peut ??tre observ??e et la force est d??duite de trajectoire courbe de l'objet. Ainsi, le trajet en ligne droite dans l'espace-temps est consid??r?? comme une ligne courbe dans l'espace, et il est appel?? le balistique la trajectoire de l'objet. Par exemple, un basket jet?? depuis le sol se d??place dans un parabole, car il est dans un champ gravitationnel uniforme. Sa trajectoire spatio-temporel (lorsque la dimension suppl??mentaire est ajout??e ct) est une ligne presque droite, l??g??rement incurv??e (avec le rayon de courbure de l'ordre de quelques Années lumière). La dérivée temporelle de la dynamique de l'évolution corps est ce que nous appelons aussi "force gravitationnelle".

Les forces électromagnétiques

En 1784 Charles Coulomb a découvert la loi du carré inverse de l'interaction entre les charges électriques en utilisant une balance de torsion; ce fut la deuxième force fondamentale. Les forces faibles et forts ont été découverts dans le 20ème siècle par le développement de la physique nucléaire .

La force électrostatique a été décrite pour la première en 1784 par Coulomb comme une force qui existait intrinsèque entre deux charges . Les propriétés de la force électrostatique étaient qu'il varie comme une loi du carré inverse dirigé dans la direction radiale , était à la fois attractive et répulsive (il était intrinsèque polarité), était indépendante de la masse des objets chargés, et a suivi la loi de superposition. Unifier toutes ces observations dans un exposé succinct est devenu connu comme la loi de Coulomb .

Mathématiciens et physiciens ultérieures ont trouvé la construction du champ électrique pour être utile pour déterminer la force électrostatique sur une charge électrique à tout point de l'espace. Basé sur la loi de Coulomb, connaissant les caractéristiques du champ électrique dans un espace donné est équivalente à savoir ce que la force électrostatique appliquée sur une " charge de test "est.

Pendant ce temps, la connaissance a été développé de la force de Lorentz de magnétisme , la force qui existe entre deux des courants ??lectriques. Il a le même caractère mathématique en tant que loi de Coulomb à la condition que, comme les courants attirent et repoussent contrairement courants. Comme pour le champ électrique, le champ magnétique peut être utilisé pour déterminer la force magnétique sur un courant électrique à un point quelconque dans l'espace. La combinaison de la définition du courant électrique que le taux de temps de changement de charge électrique donne une loi de multiplication vectorielle appelé loi de Lorentz qui détermine la force sur le déplacement dans un champ magnétique d'une charge.

Ainsi une théorie complète de la force électromagnétique sur une charge peut être écrit comme la somme de la force électrostatique (due au champ électrique) et la force magnétique (due au champ magnétique). Entièrement déclaré, telle est la loi:

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

o?? \ Vec {F}est la force électromagnétique,qest la grandeur de la charge de la particule,\vec{v}est lavitessede la particule,\vec{E}est le champ électrique et\vec{B}le champ magnétique est.

L'origine des champs électriques et magnétiques ne serait pas entièrement expliqué jusqu'en 1864 quand James Clerk Maxwell a unifié un certain nombre de théories antérieures en un ensemble succincte de quatre équations. Ces « Equations de Maxwell "décrit complètement les sources des champs comme étant stationnaire et charges en mouvement, et les interactions des champs eux-mêmes. Cela a conduit à découvrir que Maxwell champs électriques et magnétiques pourraient être «auto-génération" à travers une vague qui se déplaçait à une vitesse qui il a calculé pour être le vitesse de la lumière . Cette idée a uni les domaines naissants de la théorie électromagnétique avec l'optique et conduit directement à une description complète de la spectre ??lectromagn??tique.

Cependant, la tentative de réconcilier la théorie électromagnétique avec deux observations, l' effet photoélectrique, et l'inexistence de la catastrophe ultraviolette, révélée gênante. Grâce au travail des physiciens théoriques principaux, une nouvelle théorie de l'électromagnétisme a été développé en utilisant la mécanique quantique . Cette modification finale de la théorie électromagnétique a finalement abouti à l'électrodynamique quantique (ou QED), qui décrit en détail tous les phénomènes électromagnétiques comme étant médiée par des particules connues sous le nom d'onde des photons . Dans CQFD, les photons sont les particules de change fondamental qui décrit toutes les interactions liées à l'électromagnétisme, y compris la force électromagnétique.

Les forces nucléaires

Il ya deux «forces nucléaires" qui, aujourd'hui, sont généralement décrits comme des interactions qui ont lieu dans les théories quantiques dela physique des particules. Le force nucléaire forte est la force responsable de l'intégrité structurelle desnoyaux atomiquestandis que laforce nucléaire faible est responsable de la désintégration de certainsnucléons dansles leptons et d'autres types dehadrons.

La force forte est aujourd'hui compris pour représenter les interactions entre les quarks et les gluons comme détaillé par la théorie de la chromodynamique quantique (QCD). La force forte est la force fondamentale médiée par les gluons, agissant sur ??????les quarks , les antiquarks, et les gluons eux-mêmes. L'interaction forte est le plus puissant des quatre forces fondamentales.

La force forte agit seulement directement sur ??????les particules élémentaires. Toutefois, un résidu de la force est observée entre hadrons (l'exemple le plus connu étant la force qui agit entre les nucléons dans les noyaux atomiques) que les force nucl??aire. Voici les actes de force fortes indirectement, transmis que des gluons qui font partie de la pi virtuelle et rho mésons qui transmettre classiquement la force nucléaire (voir à ce sujet pour plus). L'échec de nombreuses recherches pour quarks libres a montré que les particules élémentaires touchées sont pas directement observables. Ce ph??nom??ne est appel?? couleur confinement.

La force faible est due à l'échange des lourds bosons W et Z. Son effet le plus courant est la désintégration bêta (de neutrons dans les noyaux atomiques ) et l'associé la radioactivit??. Le mot «faible» provient du fait que l'intensité du champ est environ 10 13 fois inférieure à celle de la force forte. Pourtant, il est plus fort que la gravité sur de courtes distances. Un cohérente théorie électrofaible a également été développé qui montre que les forces électromagnétiques et la force faible sont indiscernables à un des températures supérieures à environ 10 15 Kelvin . Ces températures ont été sondés dans modernes accélérateurs de particules et de montrer les conditions de l' univers dans les premiers moments de la Big Bang .

Les modèles non-fondamentaux

Certaines forces peuvent être modélisées en faisant des hypothèses simplificatrices sur les conditions physiques. Dans de telles situations, des modèles idéalisés peuvent être utilisés pour mieux comprendre physique.

Force normale

Fnreprésente laforce normale exercée sur l'objet.

La force normale est la force de surface qui agit perpendiculairement à la surface interface entre les deux objets. La force normale, par exemple, est responsable de l'intégrité structurale de tables et les planchers ainsi que d'être la force qui répond chaque fois une force externe pousse sur un objet solide. Un exemple de la force normale en action est la force d'un objet écraser sur une surface immobile d'impact. Cette force est proportionnelle au carré de la vitesse de l'objet en raison de la conservation de l'énergie et du théorème de l'énergie de travail lorsqu'il est appliqué à tout collisions inélastiques.

Friction

Le frottement est une force de surface qui oppose le mouvement. La force de frottement est directement liée à la force normale qui agit pour maintenir deux objets solides séparées au point de contact. Il existe deux grandes catégories de forces de frottement: frottement statique et frottement cin??tique.

La force de frottement statique (F_{sf}) sera exactement opposer forces appliquées à un organisme parallèle à une surface de contact jusqu'à la limite spécifiée par lecoefficient de frottement statique (\mu_{sf}) multiplié par la force normale (F_N ).En d'autres termes l'ampleur des statiques satisfait de la force de frottement du l'inégalité:

0 \le F_{sf} \le \mu_{sf} F_N .

La force de frottement cinétique ( F_{kf} ) est indépendant des deux forces appliquées et le mouvement de l'objet. Ainsi, la grandeur de la force est égale à

F_{kf} = \mu_{kf} F_N ,

o?? \mu_{kf} est le coefficient de friction cinétique. Pour la plupart des interfaces de surface, le coefficient de frottement cinétique inférieur au coefficient de frottement statique.

Mécanique des milieux continus

Lorsque la force de traînée (F_d) associée à la résistance de l'air devient égale en amplitude à la force de gravité sur un objet qui tombe (F_g), l'objet atteint un état ??????d'équilibre dynamiqueàvitesse terminale.

Dans étenduesliquides, les différences derésultat de la pression dans les forces dirigé le long, la pressiongradients comme suit:

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

o?? V est le volume de l'objet dans le liquide et P est le la fonction scalaire qui décrit la pression au niveau de tous les emplacements dans l'espace. gradients de pression et des écarts résultent de la force de flottabilité pour les fluides en suspension dans les champs gravitationnels, les vents en sciences de l'atmosphère, et l' ascenseur associés à l'aérodynamique et vol.

Un exemple spécifique d'une telle force qui est associée àla pression dynamique est la résistance de fluide: une force de corps qui résiste au mouvement d'un objet dans un fluide en raison de viscosit??.Pour soi-disant "glisser de Stokes "la force est approximativement proportionnelle à la vitesse, mais en sens opposé:

\vec{F}_d = - b \vec{v} \,

o??:

best une constante qui dépend des propriétés du fluide et les dimensions de l'objet (en général lazone de coupe transversale), et
\vec{v}est la vitesse de l'objet.

Plus formellement, les forces enmécanique des milieux continus sont entièrement desribed par un stress tenseur avec des termes qui sont définis comme peu prés

\sigma = \frac{F}{A}

o?? Un est l'aire en coupe transversale correspondant au volume pour lequel le tenseur de contrainte est calculé. Ce formalisme comprend des termes de pression associés à des forces qui agissent perpendiculairement à la surface de section transversale (les diagonales de la matrice du tenseur) ainsi que les conditions de cisaillement associés à des forces qui agissent parallèlement à la surface de section transversale (les éléments hors diagonale). Représente le tenseur de stress pour les forces qui causent tous les déformations y compris aussi les contraintes et traction compressions.

Tension

les forces de tension peut être idéalisées utilisant cordes idéales qui sont sans masse, sans frottement, incassable, et non extensible. Ils peuvent être combinés avec idéales poulies qui permettent cordes idéales pour basculer direction physique. Cordes Idéal transmettent les forces de tension instantanément par paires action réaction de sorte que si deux objets sont reliés par une chaîne idéal, toute force dirigée le long de la chaîne par le premier objet est accompagné par une force dirigée le long de la chaîne dans la direction opposée par le second objet . En connectant la même chaîne plusieurs fois pour le même objet par l'utilisation d'un set-up qui utilise poulies mobiles, la force de tension sur une charge peut être multiplié. Pour chaque chaîne qui agit sur ??????une charge, un autre facteur de la force de tension de la corde agit sur ??????la charge. Cependant, même si ces machines permettent une augmentation de la force, il existe une augmentation correspondante de la longueur de chaîne qui doit être déplacé afin de déplacer la charge. Ces effets résultent finalement en tandem dans la conservation de l'énergie mécanique depuis le travail effectué sur la charge est la même, peu importe la complexité de la machine.

Force élastique

Fkest la force qui répond à la charge sur le ressort.

Une force élastique agit pour retourner un ressort dans sa longueur naturelle. Une printemps idéal est considérée comme sans masse, sans frottement, incassable, et infiniment extensible. Ces ressorts exercent des forces qui poussent lorsqu'elles sont contractées, ou tirer lorsqu'il est étendu, en proportion du déplacement du ressort de sa position d'équilibre. Cette relation linéaire a été décrite par Robert Hooke en 1676, pour qui . La loi de Hooke est nommé Si \Delta x est le déplacement, la force exercée par un ressort idéal est égal à:

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

o?? k est la constante de ressort (ou constante de force), qui est notamment à la source. Représente le signe moins de la tendance de la force élastique d'agir en opposition à la charge appliquée.

Force centripète

Pour un objet d'accélération dans le mouvement circulaire, la force déséquilibré agissant sur ??????l'objet est égal à

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

o?? m est la masse de l'objet, v est la vitesse de l'objet et r est la distance à l'axe de la trajectoire circulaire et \ Hat {r} est le pointant unité de vecteur dans la direction radiale vers l'extérieur à partir du centre. Cela signifie que la force centripète déséquilibré ressentie par un objet est toujours dirigée vers le centre de la trajectoire de bombage. Ces forces agissent perpendiculairement au vecteur vitesse associé au mouvement d'un objet, et par conséquent ne modifient pas la vitesse de l'objet (grandeur de la vitesse), mais seulement dans la direction du vecteur vitesse. La force non équilibrée qui permet d'accélérer un objet peut être décomposée en une composante qui est perpendiculaire à la trajectoire, et qui est tangent à la trajectoire. Cela donne à la fois la force tangentielle qui accélère l'objet soit par le ralentir ou l'accélérer et la force radiale (centripète) qui change sa direction.

Forces fictives

Il existe des forces qui sont dépendants cadre, ce qui signifie qu'ils apparaissent en raison de l'adoption de la non-newtonienne (à savoir, non-inertielle) trames de référence. Ces forces comprennent la force centrifuge et la force de Coriolis. Ces forces sont considérées comme fictive parce qu'ils ne existent pas dans les cadres de référence qui ne sont pas d'accélération. Dans la relativité générale , la gravité devient une force d'inertie qui se pose dans les situations où l'espace-temps écarte d'une géométrie plane. Dans le prolongement, de Kaluza-Klein théorie et la théorie des cordes attribuent l'électromagnétisme et les autres forces fondamentales respectivement à la courbure de dimensions différemment-échelle, qui serait finalement implique que toutes les forces sont fictifs.

Rotations et couple

Relation entre la force (F), du couple (??), etmomentumvecteurs (P et L) dans un système de rotation.

Forces qui causent des objets étendus à tourner sont associés à des couples. Mathématiquement, le couple sur une particule est défini comme le produit vectoriel :

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

o??

\vec{r}est de la particulevecteur de position de rapport à unpivot
\ Vec {F}est la force agissant sur ??????la particule.

Le couple est l'équivalent de la rotation de la force de la même manière que l'angle est l'équivalent de rotation pour la position, la vitesse angulaire de la vitesse , et le moment angulaire de l'élan . Tous les traitements formels des lois de Newton qui ont demandé aux forces appliquent de façon équivalente à des couples. Ainsi, comme une conséquence de la première loi du mouvement de Newton, il existe inertie de rotation qui assure que tous les organismes maintiennent leur moment angulaire à moins sollicité par un couple déséquilibré. De même, la deuxième loi du mouvement de Newton peut être utilisé pour dériver une autre définition du couple:

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

o??

Je est le moment d'inertie de la particule
\vec{\alpha}est l'accélération angulaire de la particule.

Ceci fournit une définition pour le moment d'inertie qui est l'équivalent de rotation pour la masse . Dans les traitements les plus avancés de la mécanique, le moment d'inertie agit comme un tenseur qui, lorsqu'il est correctement analysée, détermine entièrement les caractéristiques de rotations y compris précession et nutation.

De manière équivalente, la forme différentielle de la deuxième loi de Newton fournit une autre définition du couple:

\vec{\tau} = \frac{d\vec{L}}{dt}

o?? \vec{L}est le moment cinétique de la particule.

La troisième loi de Newton sur le mouvement exige que tous les objets eux-mêmes l'expérience de couples exerçant des couples égaux et opposés, et donc implique aussi directement de laconservation du moment angulairepour les systèmes fermés qui connaissent les rotations et lesrévolutionsà travers l'action de couples internes.

Intégrales cinématiques

Les forces peuvent être utilisées pour définir un certain nombre de concepts physiques en intégrant par rapport à des variables cinématiques . Par exemple, en intégrant par rapport au temps donne la définition d' impulsion:

\vec{I}=\int{\vec{F} dt}

qui, par la deuxième loi de Newton, doit être équivalente à la variation de l'élan (donnant l'élan théorème Impulse).

De même, l'intégration par rapport à la position donne une définition pour letravail effectuépar une force:

W=\int{\vec{F} \cdot{d\vec{x}}}

qui, dans un système où toutes les forces sont prudentes ( voir ci-dessous ) est équivalent à des changements de cinétique et potentielle de l'énergie (rendement du théorème de l'énergie de travail ). La dérivée de la définition du travail donne une définition pour pouvoir en terme de force et de la vitesse ( \vec{v} ):

P=\frac{dW}{dt}=\int{\vec{F} \cdot{d\vec{v}}}

??nergie potentielle

Au lieu d'une force, le concept mathématiquement équivalent d'un champ d'énergie potentielle peut être utilisé pour plus de commodité. Par exemple, la force de gravitation agissant sur ??????un corps peut être considéré comme l'action du champ de gravitation qui est présent à l'emplacement de l'organisme. Réaffirmant mathématiquement la définition de l'énergie (via définition de travail ), un potentiel champ scalaire U(\vec{r}) est défini comme ce domaine dont la pente est égale et opposée à la force produite sur tous les points:

\vec{F}=-\vec{\nabla} U.

Forces peuvent être classés comme conservatrice ou non conservatrice. Les forces conservatrices sont équivalentes au gradient d'un potentiel tandis que les forces non conservatives ne sont pas.

Les forces conservatrices

A force conservatrice qui agit sur ??????un système fermé a un travail mécanique associée qui permet l'énergie pour convertir seulement entre cinétiques ou formes potentielles. Cela signifie que pour un système fermé, le filet de l'énergie mécanique est conservée chaque fois qu'une force conservatrice agit sur ??????le système. La force, par conséquent, est directement liée à la différence d'énergie potentielle entre deux endroits différents dans l'espace, et peut être considéré comme un artefact du champ potentiel de la même façon que la direction et la quantité d'un courant d'eau peuvent être considérées être un artefact de la carte de contour de l'élévation d'une zone.

Les forces conservatrices comprennent la gravité , l' électromagnétique vigueur, et de la force du ressort. Chacun de ces forces ont des modèles qui dépendent d'une position souvent donné comme un vecteur radial \vec{r} émanant des potentiels à symétrie sphérique. Des exemples de ce suivi:

Pour gravité:

\vec{F} = - \frac{G m_1 m_2 \vec{r}}{r^3}

o?? Sol est le constante de gravitation, etm_nest la masse de l'objetn.

Pour les forces électrostatiques:

\vec{F} = \frac{q_{1} q_{2} \vec{r}}{4 \pi \epsilon_{0} r^3}

o?? \epsilon_{0} est permittivité électrique de l'espace libre, etq_nest lacharge électriquede l'objetn.

Pour les forces de printemps:

\vec{F} = - k \vec{r}

o?? k est le constante de ressort.

Forces non conservatives

Pour certains scénarios physiques, il est impossible de modéliser les forces comme étant dû à gradient de potentiel. Cela est souvent dû à des considérations macrophysiques que les forces de rendement comme résultant d'une moyenne statistique macroscopique de microétats. Par exemple, friction est causée par les gradients de nombreux potentiels électrostatiques entre les atomes , mais se manifeste comme un modèle de force qui est indépendant de tout vecteur de position échelle macroscopique. Forces non conservatives autres que la friction comprennent d'autres forces de contact, tension, la compression et la traînée. Toutefois, pour toute description suffisamment détaillée, toutes ces forces sont les résultats de ceux conservateur depuis chacune de ces forces macroscopiques sont les résultats nets des gradients de potentiels microscopiques.

La connexion entre les forces non-conservatrices macroscopiques et microscopiques forces conservatrices est décrit par un traitement détaillé avec la mécanique statistique . Dans les systèmes fermés macroscopiques, les forces non conservatives agissent pour changer les énergies internes du système, et sont souvent associées avec le transfert de la chaleur . Selon la deuxième loi de la thermodynamique , les forces non conservatives se traduisent nécessairement par des transformations d'énergie dans des systèmes fermés de l'ordre à des conditions plus aléatoires que l'entropie augmente.

Les unités de mesure

Le Unité SI de la force est le newton (symbole N), qui est la force nécessaire pour accélérer une masse d'un kilogramme à un taux de un mètre par seconde au carré, ou kg ??? m ??? s -2 . Le correspondant unité CGS est la dyne, la force nécessaire pour accélérer une masse d'un gramme par centimètre carré par seconde, ou g ??? cm ??? s -2 . 1 newton est donc égal à 100 000 dyne.

Le pieds-livre-deuxième unité impériale de la force est le livre-force (lbf), définie comme la force exercée par la gravité sur un livre-masse dans le champ gravitationnel niveau de 9,80665 m ??? s -2 . Le livre-force fournit une autre unité de la masse: un slug est la masse qui permettra d'accélérer par un pied carré par seconde lorsque agi par l'un livre-force. Une autre unité de la force dans le même système est le poundal, définie comme la force nécessaire pour accélérer une masse d'un livre à un taux d'un pied par seconde au carré. Les unités de limaces et poundal sont conçus pour éviter une constante de proportionnalité dans la deuxième loi de Newton .

Le livre-force a une contrepartie métrique, moins couramment utilisées que le newton: le kilogramme-force (kgf) (parfois kilopond), est la force exercée par la gravité standard sur un kilogramme de masse. Le kilogramme-force conduit à un autre, mais rarement unité de masse utilisée: la limace métrique (parfois de tasse ou hyl) est que la masse qui accélère à 1 m ??? s -2 lorsqu'elle est soumise à une force de 1 kgf. Le kilogramme-force ne fait pas partie de la modernité système de SI, et est généralement déconseillée; mais il voit encore utiliser à certaines fins comme exprimant la poussée, vélo tension des rayons, les paramètres de la clé dynamométrique et le couple de sortie du moteur. Autres unités arcanes de force comprennent l' sthène qui est équivalent à 1000 N et le kip, qui est équivalent à 1000 lbf.

Unités de force
newton
( Unité SI)
dynekilogramme-force,
kilopond
livre-forcepoundal
N 1??? 1 kg · m / s²= 105dyn??? 0,10197 kp??? 0,22481lbF ??? 7,2330 pdl
1 dyn= 10-5N??? 1 g · cm / s²??? 1,0197 × 10-6kp??? 2,2481 × 10-6 lbF ??? 7,2330 × 10-5PDL
1 kp= 9,80665 N= 980665 dyn???gn· (1 kg)??? 2,2046lbF ??? 70,932 pdl
1lbF ??? 4.448222 N??? 444 822 dyn??? 0,45359 kp???gn· (1 kg) ??? 32,174 pdl
1 pdl??? 0.138255 N??? 13825 dyn??? 0.014098 kp??? 0.031081lbF ??? £ 1 ·pi / s²
La valeur de gntel qu'il est utilisé dans la définition officielle du kilogramme-force est utilisée ici pour toutes les unités gravitationnelles.
R??cup??r?? ?? partir de " http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Force&oldid=201242162 "