Força
De Viquipèdia
En física, una força (habitualment simbolitzada com F) és una acció que provoca una pertorbació en la quantitat de moviment d'un cos. El vector suma de totes les forces que actuen sobre un cos, la força neta o força resultant, és proporcional a l'acceleració i a la massa del cos. En un cos extens una força també pot causar rotació, deformació o canvis de pressió. Els efectes rotacionals són determinats pel moment, mentre que la deformació o el canvi de pressió són determinats per la tensió mecànica que creen les forces. Matemàticament, la força neta és idèntica al el ritme de canvi en el temps de la quantitat de moviment del cos sobre el que actua. En tant que la quantitat de moviment és un vector (té una magnitud i una direcció), la força també serà un vector.
El concepte de força és molt antic i ha estat usat en estàtica i en dinàmica des de l'antiguitat però va ser necessari molt de temps fins que es va tenir una definició acurada. Tanmateix no ha estat possible d'establir una definició explícita del concepte de força, només ha estat possibles definicions a redundants a partir d'altes conceptes. A diferència d'altres magnituds com la longitud o la massa, una força és un concepte abstracte que no pot ser entès a partir de l'experiència directa perquè no es veu, no és més que l'explicació d'efectes visibles.
Taula de continguts |
[edita] Història
Durant l'edat antiga la culminació de les aportacions a l'estàtica van ser els treballs d'Arquímedes durant el segle III aC que encara formen part de la física moderna. En canvi, la dinàmica d'Aristòtil incorporava errors sobre el paper de la força que van ser corregits al segle XVII, culminant amb les aportacions d'Isaac Newton. Amb el desenvolupament de la mecànica quàntica s'ha conegut que les partícules interaccionen entre elles a través de les forces fonamentals i com a conseqüència el model estàndard de la física de partícules demana que tot el que s'experimenta com un força sigui mediat pels bosons de gauge. A gran escala, les forces que es perceben es poden explicar de manera més acurada a la curvatura de l'espai-temps com explica la teoria de la relativitat general d'Albert Einstein. A la física moderna només es consideren quatre forces fonamentals, que en ordre decreixent de magnitud són: la força nuclear forta, la força electromagnètica, la força nuclear feble i la força gravitatòria. La força nuclear feble i l'electromagnètica van ser descrites de manera unificada, com la interacció electrodèbil, a partir de les observacions de les interaccions entre partícules d'alta energia entre les dècades del 1970 i del 1980
[edita] Conceptes prenewtonians
A l'antiguitat el concepte de força formava part de l'explicació del funcionament de les màquines simples, l'avantatge mecànic que aportava una màquina simple permetia la utilització de menys força per moure la mateixa massa a més distància. L'anàlisi de les característiques de les forces van culminar amb el treball d'Arquímedes, que va ser especialment conegut per la seva formulació de seu principi d'Arquimedes sobre les forces que operen als fluids.
Aristòtil va desenvolupar el concepte de força de manera paral·lela al seu concepte filosòfic del món, només hi ha un únic món real, físic, i és en constant transformació. La cosmologia d'Aristòtil culmina a la seva obra Física, considera que els cosmos és finit, ordenat, esfèric, ple, geocèntric i geoestàtic; dividit en dues regions diferenciades pels materials amb que són constituïdes i pel tipus de moviment: una regió supralunar (el cel), formada per esferes concèntriques d'èter, una matèria incorruptible (eterna) i amb moviment circular; i una regió sublunar (la terra), quieta al mig de l'univers, formada per quatre elements corruptibles, terra, aigua, aire i foc, que poden tenir un moviment lineal. Considerava que els objectes tenien una tendència natural a trobar el seu lloc, els elements com la terra o l'aigua tendien a restar sobre el terra sense moviment, així si aixecaven un objecte pesat tenia tendència a caure per tal de recuperar el seu lloc natural. D'aquesta manera diferenciava entre moviment natural, el que fa que els elements recuperin la posició que els pertoca, del moviment provocat o no natural que necessita l'aplicació continuada d'una força per tal que continuï. Aquesta teoria del moviment es fonamentava en l'observació del moviment dels objectes però tenia alguns problemes per explicar el moviment de projectils com les fletxes.
Els errors dels conceptes aristotèlics no van ser corregits fins al segle XVII amb els treballs de Galileo Galilei, que era influenciat per la idea medieval de que els objectes en moviment forçat porten una força innata mesurable, la teoria de l' ímpetu (Jean Buridan). Galileo va fer una sèrie d'experiment llençant pedres i bales de canó per un pla inclinat per tal de refutar la teoria d'Aristòtil sobre la gravetat (els objectes tendeixen a recuperar la seva posició natural), va demostrar que els objectes eren accelerats per la gravetat fins a un punt que era independent de la seva massa i va considerar que els objectes conserven la seva velocitat si no hi ha cap força que actuï, com la fricció, per aturar-la.
[edita] Mecànica newtoniana
Isaac Newton va ser el primer a considerar de manera explícita que forces constants causen una quantitat de canvi constant en el temps, és a dir són una derivada respecte del temps. Newton va arribar a la primera i única definició matemàtica de la força:
- F = dp / dt
El 1687 va publicar Philosophiae Naturalis Principia Mathematica on utilitzava els conceptes d'inèrcia, força i conservació per descriure el moviments de tots els objectes. En aquesta obra va enunciar tres lleis sobre el moviment que tenen una relació directa amb la manera com es descriuen les forces a la física.
[edita] Primera llei de Newton
La primera llei de Newton o llei de la inèrcia enuncia les condicions requerides per a l'equilibri i defineix la inèrcia en relació a la massa d'un objecte. En contraposició a la idea aristotèlica dels estats naturals, Newton proposava que l'estat natural seria l'absència d'una força neta actuant sobre un objecte. Això implicava la condició de velocitat constant, sigui zero o diferent de zero, com a estat natural de qualsevol estat massiu. Per tant, un objecte continuarà movent-se a una velocitat constant si no hi actua una força externa neta. Com a una extensió dels treballs de Galileu, el concepte d'inèrcia està relacionat necessàriament amb el concepte de velocitat relativa, de manera específica, en un sistema de dos objectes és impossible determinar quin és en moviment i quin és en repòs; el que en física és equivalent a parlar de sistemes de referència inercials.
El concepte d'inèrcia es pot generalitzar per explicar la tendència dels objectes a continuar en diferents formes de moviment, fins i tots aquells tipus de moviment que no comporten una velocitat constant. El moment d'inèrcia de la rotació de la Terra és el que fixa la durada d'un dia i d'un any. Albert Einstein estendria el principi d'inèrcia per explicar que els sistemes de referència en acceleració constant, com els que impliquen una caiguda lliure vers un objecte en gravitació, són equivalents als sistemes de referència inercials. Això explica perquè els astronautes experimenten l'absència de gravetat quan es troben en caiguda lliure a una òrbita al voltant de la Terra i perquè les lleis de Newton del moviment són més comprensibles en aquest tipus d'entorns. Si un astronauta posa un objecte massiu prop seu, l'objecte romandrà estacionari respecte l'astronauta a causa de la inèrcia, és el mateix que passaria si l'objecte i l'astronauta fossin a l'espai intergalàctic sense cap força gravitacional neta actuant sobre el seu sistema de referència. Aquest principi d'equivalència va ser un dels fonaments sobre els que es va desenvolupar la teoria de la relativitat general.
[edita] Segona llei de Newton
La força es defineix sovint utilitzant la segona llei de Newton, com el producte de la massa m multiplicat per l'acceleració 
:
Tanmateix Newton mai va escriure la fórmula anterior, sinó que la seva definició era una equació diferencial:
on 
és la quantitat de moviment del sistema, la força és la quantitat de canvi de la quantitat de moviment al llarg del temps. L'acceleració és la quantitat de canvi de la velocitat al llarg del temps. Això comporta que la creença aristotèlica de que era necessària una força neta per tal de mantenir un objecte en moviment no pugui ser certa.
La segona llei de Newton només estableix la proporcionalitat entre l'acceleració i la massa respecte a la força, però tant l'acceleració com la massa poden ser definides sense fer referència a forces. L'acceleració por ser mesurada utilitzant mètodes cinemàtics i la massa pot ser determinada per mitjà de l'estequiometria, tot i que encara no hi ha una definició acurada del que és la massa. La relativitat general ofereix una equivalència entre l'espai-temps i la massa, però manca una teoria coherent de la gravetat quàntica, no és clar si aquesta connexió és rellevant a escala atòmica. La segona llei de Newton s'hauria de prendre com una definició de la massa escrivint-la com una igualtat a la que les unitats relatives a la força i la massa són fixes.
[edita] Tercera llei de Newton
La tercera llei de Newton és el resultat d'aplicar una simetria a situacions a les que les forces poder ser atribuïdes a la presència de diferents objectes. Donats dos objectes 1 i 2, la tercera llei estableix que
això implica que les forces sempre actuen per parells d'acció-reacció. Si els objectes 1 i 2 són al mateix sistema, llavors la força neta del sistema deguda a la interacció entre els objectes és zero:
.
Això significa que els sistemes no poden crear forces internes no contrarrestades. Però si els objectes són a sistemes diferents, els dos experimentaran una força no contrarrestada i s'acceleraran l'un respecte l'altre d'acord amb la segona llei de Newton.
Combinant la segona i la tercera llei és possible mostrar que la quantitat de moviment d'un sistema es conserva. Utilitzant
i integrant respecte del temps, s'obté l'equació
Per un sistema que inclou els objecte 1 i 2,
que és una expressió de la conservació lineal de la quantitat de moviment. Generalitzar això per a un sistema amb un nombre arbitrari de partícules és senzill. Això mostra que l'intercanvi de quantitat de moviment entre els objectes que formen un sistema no afecta a la quantitat de moviment del sistema. En general en tant que les forces siguin degudes a la interacció entre objectes massius, és possible definir un sistema tal que la quantitat de moviment no es perd ni es guanya.
[edita] Forces conservatives i no conservatives
Una força conservativa és aquella força el treball de la qual no depèn del recorregut realitzat, sinó que depèn exclusivament de la posició inicial i final del cos. Són forces conservatives la força gravitatòria, la força elàstica, la força elèctrica, etc. També es pot definir la força conservativa com aquella força que no realitza treball en un desplaçament tancat.
[edita] El concepte de força a la física moderna
Les teories modernes de la física no recorren a les forces com a fonts o símptomes d'una interacció. La relativitat general utilitza el concepte de curvatura de l'espai-temps, la mecànica quàntica descriu els intercanvies entre les partícules elementals sota la forma de fotons, bosons i gluons. Cap d'aquestes dues teories no recorre a les forces. Tanmateix, com la noció de força és un suport pràctic i intuïtiu, sempre és possible, tant per la relativitat general com per la mecànica quàntica de calcular forces. Però igual que en el cas de la segona llei de Newton, les equacions utilitzades no aporten cap informació addicional sobre la naturalesa d'una força.
[edita] Forces fonamentals
A la física moderna només es consideren quatre forces fonamentals, que en ordre decreixent de magnitud són:
- Força nuclear forta, també anomenada força forta o interacció forta
- Força electromagnètica
- Força nuclear feble, també anomenada força feble o interacció dèbil
- Força gravitatòria
La força nuclear feble i l'electromagnètica han estat descrites de manera unificada, com la interacció electrodèbil.
A escala humana, la major part de les interaccions són causades per la força gravitatòria (que manté cohesionat el nostre planeta i determina el seu moviment, intervé en la geologi, les marees, ...), de la força electromagnètica, les interaccions electromgnètiques entre les molècules que composen la matèria són la causa de gairebé tot el que es pot observar (duresa dels materials, reaccions químiques, els estats de la matèria, el fregament, el comportament de la llum, l'electricitat, els microprocessadors, etc).
La interacció feble és la responsable de l'estabilitat dels àtoms, manifestacions d'aquesta força es veuen a les reaccions nuclears.
La interacció forta permet que les partícules composades de quarks, com els protons i els neutrons, continuïn unides.
Els altres tipus de forces considerades tradicionalment en física o enginyeria són expressions macroscòpiques de les quatre forces fonamentals. Alguns exemples són la força de fricció o de fregament, la força d'arrossegament o la forces recuperadores que es posen de manifest en molles o pèndols. La pressió és una magnitud física que indica la força aplicada per unitat de superfície.
