Followers

Powered by Blogger.

Kekuatan/Gaya

Posted by Yono Purnama

Dari Wikipedia, ensiklopedia bebas
Pasukan juga digambarkan sebagai dorong atau tarik pada objek. Mereka dapat disebabkan oleh fenomena seperti gravitasi , magnetisme , atau apa pun yang mungkin menyebabkan massa untuk mempercepat.
Kekuatan
SI simbol: F
Satuan SI : newton
Turunan dari besaran lain: F = m · yang
Dalam fisika , gaya adalah setiap pengaruh yang menyebabkan benda mengalami perubahan dalam kecepatan, perubahan arah, atau perubahan bentuk. Angkatan juga dapat dijelaskan oleh konsep-konsep intuitif seperti mendorong atau menarik yang dapat menyebabkan sebuah benda dengan massa untuk mengubah nya kecepatan (yang mencakup untuk mulai bergerak dari keadaan istirahat ), yaitu, untuk mempercepat , atau yang dapat menyebabkan objek yang fleksibel untuk merusak . Suatu gaya memiliki baik besar dan arah , sehingga vektor kuantitas. hukum kedua Newton , F = ma, pada awalnya dirumuskan dalam sedikit berbeda, tapi setara istilah: menyatakan versi asli yang gaya netto yang bekerja pada suatu benda sama dengan tingkat di mana nya momentum perubahan. [1]
Konsep yang berkaitan dengan kekuatan percepatan termasuk dorong , meningkatkan kecepatan, objek tarik , mengurangi kecepatan objek apapun, dan torsi , menyebabkan perubahan dalam kecepatan rotasi sekitar sumbu. Angkatan yang tidak bertindak seragam pada semua bagian tubuh juga akan menyebabkan tekanan mekanis , [2] istilah teknis untuk pengaruh yang menyebabkan deformasi dari materi. Sementara stres mekanis dapat tetap tertanam dalam benda padat, deformasi secara bertahap, stres mekanik dalam cairan yang menentukan perubahan tekanan dan volume yang . [3] [4]

Isi

 [hide

Pengembangan konsep

Filsuf di zaman kuno menggunakan konsep kekuatan dalam studi stasioner dan bergerak objek dan mesin sederhana , tetapi pemikir seperti Aristoteles dan Archimedes dipertahankan kesalahan mendasar dalam memahami berlaku. Dalam bagian ini adalah karena pemahaman yang tidak lengkap dari kekuatan non-jelas kadang-kadang dari gesekan, dan akibatnya pandangan dangkal mengenai sifat gerak alam. [5] Sebuah kesalahan mendasar adalah keyakinan bahwa gaya yang diperlukan untuk mempertahankan gerak, bahkan pada kecepatan konstan. Sebagian besar kesalahpahaman sebelumnya tentang gerak dan gaya akhirnya dikoreksi oleh Sir Isaac Newton ; dengan wawasan matematika, ia merumuskan hukum-hukum gerak . yang tidak baik-selama hampir tiga ratus tahun [4] Pada awal abad 20, Einstein yang dikembangkan sebuah teori relativitas yang benar memprediksi tindakan kekuatan pada objek dengan momentum meningkatkan mendekati kecepatan cahaya, dan juga memberikan wawasan ke dalam angkatan yang dihasilkan oleh gravitasi dan inersia.
Dengan wawasan modern ke dalam mekanika kuantum dan teknologi yang dapat mempercepat partikel mendekati kecepatan cahaya, partikel fisika telah menemukan Model Standar untuk menggambarkan kekuatan antara partikel lebih kecil dari atom. Para Model Standar memprediksi bahwa partikel dipertukarkan disebut boson mengukur merupakan sarana mendasar oleh pasukan yang dipancarkan dan diserap. Hanya empat interaksi utama yang dikenal: dalam rangka penurunan kekuatan, mereka adalah: kuat , elektromagnetik , lemah , dan gravitasi . [3] Tinggi-energi fisika partikel pengamatan dilakukan selama tahun 1970-an dan 1980-an menegaskan bahwa gaya lemah dan elektromagnetik adalah ekspresi dari lebih mendasar elektrolemah interaksi. [6]

Pra-Newtonian konsep

Aristoteles terkenal menggambarkan kekuatan sebagai sesuatu yang menyebabkan sebuah obyek untuk menjalani "gerak alami"
Sejak zaman kuno konsep kekuatan telah diakui sebagai bagian integral fungsi dari masing-masing mesin sederhana . Para keuntungan mekanis yang diberikan oleh mesin sederhana yang diperbolehkan untuk kekuatan kurang untuk digunakan dalam pertukaran untuk itu gaya yang bekerja lebih dari jarak yang lebih besar untuk jumlah yang sama bekerja . Analisis karakteristik kekuatan pada akhirnya memuncak dalam karya Archimedes yang terutama terkenal karena merumuskan pengobatan kekuatan apung yang melekat dalam cairan . [5]
Aristoteles memberikan filosofis diskusi tentang konsep kekuatan sebagai bagian integral dari kosmologi Aristoteles . Dalam pandangan Aristoteles, dunia alam diadakan empat unsur yang ada di "negara alami". Aristoteles percaya bahwa itu adalah keadaan alami objek dengan massa di bumi , seperti unsur air dan bumi, yang akan bergerak di tanah dan bahwa mereka cenderung terhadap negara yang jika dibiarkan saja. Ia membedakan antara kecenderungan bawaan objek untuk menemukan "tempat alami" mereka (misalnya, untuk tubuh berat jatuh), yang menyebabkan "gerak alami", dan gerakan tidak wajar atau dipaksa, yang diperlukan kesinambungan penerapan kekuatan. [7] Teori ini, berdasarkan pengalaman sehari-hari bagaimana objek bergerak, seperti penerapan konstan dari gaya yang dibutuhkan untuk menjaga gerobak bergerak, telah akuntansi kesulitan konseptual untuk perilaku proyektil , seperti penerbangan panah. Tempat dimana pasukan yang diterapkan untuk proyektil hanya pada awal penerbangan, dan sementara proyektil berlayar melalui udara, tidak ada kekuatan yang terlihat bertindak atas hal itu. Aristoteles adalah menyadari masalah ini dan mengusulkan bahwa udara pengungsi melalui jalur proyektil yang memberikan gaya yang dibutuhkan untuk terus bergerak proyektil. Penjelasan ini menuntut bahwa udara diperlukan untuk proyektil dan bahwa, misalnya, dalam sebuah vakum , proyektil tidak akan bergerak setelah menekan awal. Masalah tambahan dengan penjelasan termasuk fakta bahwa udara menolak gerakan proyektil. [8]
Aristoteles fisika mulai menghadapi kritik dalam sains Abad Pertengahan , pertama oleh John Philoponus di abad ke-6.
Kekurangan fisika Aristotelian tidak akan sepenuhnya dikoreksi sampai karya abad ketujuh belas dari Galileo Galilei , yang dipengaruhi oleh gagasan Abad Pertengahan akhir bahwa objek dalam gerak terpaksa membawa kekuatan bawaan dorongan . Galileo dibangun sebuah percobaan di mana batu dan cannonballs keduanya berguling menuruni sebuah lereng untuk menyangkal teori gerak Aristoteles pada awal abad ketujuh belas. Dia menunjukkan bahwa mayat-mayat itu dipercepat oleh gravitasi ke tingkat yang independen dari massa mereka dan berpendapat bahwa objek mempertahankan mereka kecepatan kecuali bertindak dengan kekerasan, misalnya gesekan . [9]

Newtonian mekanik

Sir Isaac Newton berusaha untuk menjelaskan pergerakan dari semua objek menggunakan konsep inersia dan kekuatan, dan dengan berbuat demikian ia menemukan bahwa mereka mematuhi tertentu undang-undang konservasi . Pada 1687 Newton melanjutkan untuk mempublikasikan tesisnya Philosophiae Naturalis Principia Mathematica . [4] [10] Dalam karya Newton ini menetapkan tiga hukum gerak yang sampai hari ini adalah cara kekuatan dijelaskan dalam fisika. [10]

Newton pertama hukum

Newton pertama hukum menyatakan gerak yang benda terus bergerak dalam keadaan kecepatan konstan kecuali ditindaklanjuti oleh eksternal gaya netto atau gaya resultan. [10] Hukum ini merupakan perluasan wawasan Galileo bahwa kecepatan konstan dikaitkan dengan kurangnya jaring kekuatan (lihat penjelasan yang lebih rinci di bawah ini ). Newton mengusulkan bahwa setiap objek dengan massa memiliki bawaan inersia yang berfungsi sebagai "keadaan alami" keseimbangan mendasar di tempat gagasan Aristoteles tentang "keadaan alami istirahat". Artinya, hukum pertama bertentangan dengan keyakinan Aristoteles kekuatan intuitif yang bersih diperlukan untuk menjaga sebuah benda bergerak dengan kecepatan konstan. Dengan membuat istirahat secara fisik dibedakan dari non-nol kecepatan konstan, hukum pertama Newton langsung menghubungkan inersia dengan konsep kecepatan relatif . Secara khusus, dalam sistem dimana objek bergerak dengan kecepatan yang berbeda, adalah mustahil untuk menentukan objek "bergerak" dan yang objek adalah "saat istirahat". Dengan kata lain, untuk hal-hal yang lebih teknis frase, hukum-hukum fisika adalah sama dalam setiap kerangka acuan inersia , yaitu, dalam semua frame yang berhubungan dengan transformasi Galilea .
Misalnya, saat bepergian dalam kendaraan yang bergerak di konstan kecepatan , hukum fisika tidak berubah dari saat istirahat. Seseorang bisa melempar bola lurus ke udara dan menangkapnya karena jatuh ke bawah tanpa khawatir tentang penerapan kekuatan dalam arah kendaraan bergerak. Hal ini benar meskipun orang lain yang mengamati melewati kendaraan yang bergerak dengan juga mengamati bola melengkung mengikuti jalan parabola dalam arah yang sama dengan gerak kendaraan. Ini adalah inersia dari bola yang terkait dengan kecepatan konstan dalam arah gerakan kendaraan yang memastikan bola terus bergerak maju bahkan seperti yang dilemparkan dan jatuh kembali. Dari perspektif orang dalam mobil, kendaraan dan di dalam segala sesuatu itu adalah saat istirahat: Ini adalah dunia luar yang bergerak dengan kecepatan konstan dalam arah yang berlawanan. Karena tidak ada eksperimen yang dapat membedakan apakah itu adalah kendaraan yang pada saat istirahat atau dunia luar yang sedang beristirahat, kedua situasi dianggap secara fisik tidak bisa dibedakan . Inersia Oleh karena itu berlaku sama baik untuk gerak kecepatan konstan seperti halnya untuk beristirahat.
Konsep inersia dapat lebih umum untuk menjelaskan kecenderungan benda untuk terus dalam berbagai bentuk gerakan konstan, bahkan mereka yang tidak ketat kecepatan konstan. Para inersia rotasi planet bumi adalah apa perbaikan keteguhan dari panjang suatu hari dan panjang dari sebuah tahun . Albert Einstein memperluas prinsip inersia lebih lanjut saat ia menjelaskan bahwa referensi frame tunduk pada percepatan konstan, seperti yang jatuh bebas menuju objek gravitasi, secara fisik setara dengan kerangka acuan inersia. Inilah sebabnya mengapa, misalnya, astronot pengalaman bobot ketika jatuh bebas orbit sekitar Bumi, dan mengapa Hukum Newton tentang Gerak lebih mudah dilihat di lingkungan seperti itu. Jika astronot tempat objek dengan massa di udara berikutnya kepada dirinya, ia akan tetap diam terhadap astronot karena inersia nya. Ini adalah hal yang sama yang akan terjadi jika astronot dan benda itu dalam ruang intergalaksi tanpa kekuatan bersih gravitasi yang bekerja pada kerangka acuan bersama mereka. Ini prinsip kesetaraan adalah salah satu dari dasar-dasar dasar untuk pengembangan teori relativitas umum . [11]
Meskipun Sir Isaac Newton 's persamaan paling terkenal adalah \ Scriptstyle {\ vec {F} = m \ vec {a}} , Dia benar-benar menuliskan sebuah bentuk yang berbeda untuk hukum kedua gerak yang tidak menggunakan kalkulus diferensial .

Newton kedua hukum

Sebuah pernyataan yang modern dari hukum kedua Newton adalah vektor persamaan diferensial : [12]
\ Vec {F} = \ frac {\ mathrm {d} \ vec {p}} {\ mathrm {d} t},
mana \ Scriptstyle \ vec {p} adalah momentum dari sistem, dan \ Scriptstyle \ vec {F} adalah (bersih penjumlahan vektor gaya). Dalam kesetimbangan, ada gaya netto nol menurut definisi, tetapi (seimbang) mungkin ada kekuatan tetap. Sebaliknya, hukum kedua menyatakan kekuatan tidak seimbang yang bekerja pada benda akan mengakibatkan momentum objek berubah dari waktu ke waktu. [10]
Dengan definisi momentum ,
\ Vec {F} = \ frac {\ mathrm {d} \ vec {p}} {\ mathrm {d} t} = \ frac {\ mathrm {d} \ left (m \ vec {v} \ right)} {\ mathrm {d} t},
di mana m adalah massa dan \ Scriptstyle \ vec {v} adalah kecepatan .
Dalam sistem massa konstan , penggunaan aturan faktor konstan dalam diferensiasi memungkinkan massa untuk bergerak di luar operator derivatif, dan persamaan menjadi
\ Vec {F} = m \ frac {\ mathrm {d} \ vec {v}} {\ mathrm {d} t} .
Dengan mengganti definisi percepatan , versi algebraic hukum kedua Newton berasal:
\ Vec {F} = m \ vec {a}.
Hal ini kadang-kadang disebut "rumus paling terkenal kedua di fisika". [13] Newton tidak pernah secara eksplisit menyatakan rumus dalam bentuk tereduksi atas.
Hukum kedua Newton menegaskan proporsionalitas langsung dari percepatan untuk memaksa dan proporsionalitas invers percepatan massa. Percepatan dapat didefinisikan melalui kinematik pengukuran. Namun, sementara kinematika baik-dijelaskan melalui kerangka acuan analisis dalam fisika maju, masih ada pertanyaan-pertanyaan mendalam yang tetap seperti apa definisi yang tepat dari massa. Relativitas umum menawarkan kesetaraan antara ruang-waktu dan massa, tapi kurang suatu teori yang koheren dari gravitasi kuantum , tidak jelas bagaimana atau apakah koneksi ini adalah relevan di microscales. Dengan sejumlah pembenaran, hukum kedua Newton dapat diambil sebagai definisi kuantitatif massa dengan menulis hukum sebagai suatu persamaan; unit relatif gaya dan massa kemudian adalah tetap.
Penggunaan hukum kedua Newton sebagai definisi kekuatan telah diremehkan dalam beberapa buku teks yang lebih ketat, [3] [14] karena pada dasarnya adalah matematika disangkal . Fisikawan terkenal, filsuf dan ahli matematika yang mencari definisi yang lebih eksplisit dari konsep kekuatan termasuk Ernst Mach , Clifford Truesdell dan Walter Noll . [15]
Hukum kedua Newton dapat digunakan untuk mengukur kekuatan pasukan. Misalnya, pengetahuan tentang massa planet bersama dengan percepatan mereka orbit memungkinkan para ilmuwan untuk menghitung gaya gravitasi di planet.

Newton ketiga hukum

Hukum ketiga Newton adalah hasil dari penerapan simetri pada situasi dimana pasukan dapat dikaitkan dengan kehadiran objek yang berbeda. Hukum Ketiga berarti bahwa semua pasukan adalah interaksi antara badan-badan yang berbeda, [16] [17] dan dengan demikian bahwa tidak ada hal seperti kekuatan searah atau gaya yang bekerja pada hanya satu tubuh. Setiap kali tubuh pertama memberikan sebuah gaya F pada tubuh kedua, tubuh kedua memberikan gaya yang - F pada tubuh pertama F dan -. F adalah sama besarnya dan berlawanan arah. Hukum ini kadang-kadang disebut sebagai hukum aksi-reaksi , dengan F yang disebut "tindakan" dan - F "reaksi". Aksi dan reaksi yang simultan.
\ Vec {F} _ {1,2} =- \ vec {F} _ {2,1}.
Jika objek 1 dan objek 2 dianggap dalam sistem yang sama, maka gaya netto pada sistem karena interaksi antara objek 1 dan 2 adalah nol karena
\ Vec {F} _ {1,2} + \ vec {F} _ {\ mathrm {2,1}} = 0
\ Vec {F} _ {bersih} = 0.
Ini berarti bahwa dalam sistem tertutup partikel, tidak ada kekuatan internal yang tidak seimbang. Artinya, kekuatan aksi-dan-reaksi dibagi antara dua objek dalam sistem tertutup tidak akan menyebabkan pusat massa dari sistem untuk mempercepat. Benda-benda konstituen hanya mempercepat dengan menghormati satu sama lain, sistem itu sendiri tetap tidak berakselerasi. Atau, jika kekuatan eksternal bekerja pada sistem, maka pusat massa akan mengalami percepatan sebanding dengan besarnya gaya eksternal dibagi dengan massa sistem. [3]
Menggabungkan hukum Newton kedua dan ketiga, adalah mungkin untuk menunjukkan bahwa momentum linier sistem adalah kekal . Menggunakan
\ 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}
dan mengintegrasikan terhadap waktu, persamaan:
\ Delta {\ vec {p} {1,2} _} = - \ Delta {\ vec {p} {2,1} _}
diperoleh. Untuk sistem yang meliputi objek 1 dan 2,
\ Sum {\ Delta {\ vec {p}}} = \ Delta {\ vec {p} {1,2} _} + \ Delta {\ vec {p} {2,1} _} = 0
yang merupakan kekekalan momentum linier. [18] Menggunakan argumen serupa, adalah mungkin untuk generalisasi ini ke sistem sewenang-wenang jumlah partikel. Hal ini menunjukkan bahwa momentum pertukaran antara objek konstituen tidak akan mempengaruhi momentum bersih sistem. Secara umum, selama semua pasukan karena interaksi objek dengan massa, adalah mungkin untuk mendefinisikan suatu sistem seperti bahwa momentum bersih tidak pernah hilang atau diperoleh. [3]

Deskripsi

Benda bebas diagram suatu benda pada permukaan yang datar dan bidang miring . Pasukan diselesaikan dan ditambahkan bersama-sama untuk menentukan besaran mereka dan resultan.
Karena kekuatan dianggap mendorong atau menarik, ini dapat memberikan pemahaman intuitif untuk menggambarkan kekuatan. [4] Sebagaimana dengan konsep-konsep fisik lainnya (misalnya suhu ), pemahaman intuitif kekuatan diukur menggunakan tepat definisi operasional yang konsisten dengan langsung observasi dan dibandingkan dengan skala pengukuran standar . Melalui eksperimen, itu ditentukan bahwa laboratorium pengukuran kekuatan yang sepenuhnya konsisten dengan definisi konseptual kekuatan yang ditawarkan oleh mekanika Newton .
Pasukan bertindak tertentu arah dan memiliki ukuran tergantung pada seberapa kuat mendorong atau menarik yang. Karena karakteristik ini, kekuatan ini diklasifikasikan sebagai " jumlah vektor ". Ini berarti bahwa pasukan mengikuti seperangkat aturan yang berbeda matematika dari kuantitas fisik yang tidak memiliki arah (dilambangkan skalar jumlah). Misalnya, ketika menentukan apa yang terjadi ketika dua kekuatan bertindak pada objek yang sama, maka perlu untuk mengetahui baik besarnya dan arah dari kedua pasukan untuk menghitung hasil . Jika kedua potongan informasi yang tidak dikenal untuk gaya masing-masing, situasi yang ambigu. Sebagai contoh, jika Anda tahu bahwa dua orang yang menarik tali yang sama dengan magnitude diketahui kekuatan, tetapi Anda tidak tahu arah mana orang baik yang menarik, adalah mustahil untuk menentukan apa percepatan tali akan. Dua orang bisa menarik terhadap satu sama lain seperti dalam tarik tambang atau dua orang bisa menarik dalam arah yang sama. Dalam hal ini sederhana satu dimensi contoh, tanpa mengetahui arah dari kekuatan itu adalah mustahil untuk memutuskan apakah gaya bersih adalah hasil dari penambahan dua besaran kekuatan atau mengurangi satu dari yang lain. Bergaul kekuatan dengan vektor menghindari masalah tersebut.
Secara historis, kekuatan pertama kali secara kuantitatif diselidiki dalam kondisi kesetimbangan statis dimana beberapa gaya membatalkan satu sama lain. Eksperimen tersebut menunjukkan sifat-sifat penting bahwa pasukan aditif kuantitas vektor : mereka memiliki besar dan arah. [4] Ketika dua kekuatan bertindak pada objek, gaya hasil, resultan (juga disebut gaya netto ), dapat ditentukan dengan mengikuti jajar aturan dari penjumlahan vektor :. penambahan dua vektor yang diwakili oleh sisi jajaran genjang, memberi vektor resultan ekivalen yang sama dalam besar dan arah transversal dari genjang [3] Besarnya resultan bervariasi dari perbedaan besaran dari dua kekuatan untuk jumlah mereka, tergantung pada sudut antara garis aksi mereka.
Benda bebas diagram dapat digunakan sebagai cara yang nyaman untuk melacak gaya yang bekerja pada sebuah sistem. Idealnya, diagram ini diambil dengan sudut dan besaran relatif dari vektor gaya diawetkan agar penjumlahan vektor grafis dapat dilakukan untuk menentukan resultan. [19]
Seperti halnya yang ditambahkan, pasukan juga dapat dipecahkan menjadi komponen independen di sudut kanan satu sama lain. Sebuah gaya horizontal menunjuk timur laut sehingga dapat dibagi menjadi dua kekuatan, satu menunjuk utara, dan satu menunjuk timur. Menjumlahkan kekuatan komponen ini menggunakan hasil penjumlahan vektor gaya asli. Menyelesaikan vektor kekuatan menjadi komponen-komponen dari suatu himpunan vektor-vektor basis sering merupakan cara yang lebih matematis bersih untuk menggambarkan kekuatan daripada menggunakan besaran dan arah. [20] Hal ini karena, untuk ortogonal komponen, komponen dari jumlah vektor ditentukan secara unik oleh skalar penambahan komponen dari vektor individu. Komponen ortogonal yang independen satu sama lain karena gaya yang bekerja pada sembilan puluh derajat satu sama lain tidak berpengaruh pada besarnya atau arah yang lain. Memilih satu set vektor basis ortogonal yang sering dilakukan dengan mempertimbangkan apa himpunan vektor-vektor basis akan membuat matematika paling nyaman. Memilih vektor basis yang ada di arah yang sama sebagai salah satu kekuatan yang diinginkan, karena kekuatan yang kemudian akan hanya memiliki satu non-nol komponen. Vektor ortogonal kekuatan dapat tiga-dimensi dengan komponen ketiga berada di sudut kanan ke dua lainnya. [3]

Kesetimbangan

Ekuilibrium terjadi ketika gaya resultan yang bekerja pada sebuah partikel titik adalah nol (yaitu, jumlah vektor dari semua gaya adalah nol). Ketika berhadapan dengan tubuh diperpanjang, juga perlu bahwa torsi bersih itu adalah 0.
Ada dua jenis keseimbangan: keseimbangan statis dan kesetimbangan dinamis .

Statis ekuilibrium

Kesetimbangan statis dipahami dengan baik sebelum penemuan mekanika klasik. Objek yang beristirahat memiliki nol gaya netto yang bekerja pada mereka. [21]
Kasus paling sederhana dari keseimbangan statis terjadi ketika dua gaya adalah sama besarnya tetapi berlawanan arah. Sebagai contoh, sebuah obyek pada permukaan yang datar ditarik (tertarik) ke bawah menuju pusat bumi oleh gaya gravitasi. Pada saat yang sama, pasukan permukaan melawan kekuatan ke bawah dengan gaya ke atas yang sama (disebut gaya normal ). Situasi ini salah satu gaya netto nol, dan percepatan. [4]
Mendorong terhadap suatu objek di permukaan gesekan dapat mengakibatkan situasi di mana objek tidak bergerak karena gaya yang diterapkan ditentang oleh gesekan statis , dibangkitkan antara objek dan permukaan meja. Untuk situasi dengan tidak ada gerakan, gaya gesekan statis persis menyeimbangkan gaya yang diterapkan sehingga percepatan. Gesekan statis meningkat atau menurun dalam menanggapi gaya yang diterapkan sampai dengan batas atas yang ditentukan oleh karakteristik kontak antara permukaan dan objek. [4]
Sebuah keseimbangan statis antara dua kekuatan adalah cara yang paling biasa mengukur kekuatan, menggunakan perangkat sederhana seperti timbangan berat dan keseimbangan musim semi . Sebagai contoh, sebuah objek vertikal digantung pada skala semi mengalami gaya gravitasi yang bekerja pada benda seimbang dengan gaya yang diterapkan oleh "gaya reaksi pegas" yang sama dengan berat benda. Menggunakan alat-alat seperti itu, beberapa hukum gaya kuantitatif ditemukan: bahwa gaya gravitasi sebanding dengan volume objek konstan kerapatan (secara luas dimanfaatkan selama ribuan tahun untuk menentukan bobot standar); 'prinsip Archimedes untuk apung; Archimedes analisis tuas ; itu Boyle hukum untuk tekanan gas, dan hukum Hooke untuk pegas. Ini semua dirumuskan dan eksperimental diverifikasi sebelum Isaac Newton menguraikan nya tiga hukum gerak . [3] [4]

Ekuilibrium dinamis

Galileo Galilei adalah orang pertama yang menunjukkan kontradiksi yang melekat terkandung dalam deskripsi Aristoteles pasukan.
Kesetimbangan dinamis pertama kali dijelaskan oleh Galileo yang memperhatikan bahwa asumsi-asumsi tertentu dari Aristoteles fisika yang bertentangan dengan pengamatan dan logika . Galileo menyadari bahwa kecepatan Selain sederhana tuntutan bahwa konsep "mutlak bingkai istirahat "tidak ada. Galileo menyimpulkan bahwa gerak dalam sebuah konstanta kecepatan benar-benar setara untuk beristirahat. Hal ini bertentangan dengan gagasan Aristoteles tentang "keadaan alami" istirahat yang alami benda dengan massa mendekat. Percobaan sederhana menunjukkan bahwa Galileo pemahaman kesetaraan kecepatan konstan dan sisanya akan benar. Misalnya, jika marinir yang dijatuhkan meriam dari sarang gagak sebuah kapal bergerak pada kecepatan konstan, fisika Aristotelian akan meriam jatuh lurus ke bawah sementara kapal bergerak di bawahnya. Jadi, di alam semesta Aristoteles, yang jatuh meriam akan mendarat di belakang kaki tiang kapal yang bergerak. Namun, ketika percobaan ini sebenarnya dilakukan, meriam selalu jatuh di kaki tiang, seolah-olah meriam tahu untuk bepergian dengan kapal meskipun terpisah dari itu. Karena tidak ada kekuatan maju horisontal yang diterapkan pada meriam karena jatuh, satu-satunya kesimpulan kiri adalah bahwa meriam terus bergerak dengan kecepatan yang sama dengan perahu karena jatuh. Jadi, tidak ada gaya yang diperlukan untuk menjaga meriam bergerak pada kecepatan konstan ke depan. [9]
Selain itu, setiap objek berjalan pada kecepatan konstan harus tunduk pada gaya netto nol (gaya resultan). Ini adalah definisi kesetimbangan dinamis: ketika semua kekuatan pada keseimbangan objek tetapi masih bergerak pada kecepatan konstan.
Sebuah kasus sederhana keseimbangan dinamis terjadi dalam gerakan kecepatan konstan di seluruh permukaan dengan gesekan kinetik . Dalam situasi seperti itu, gaya yang diterapkan dalam arah gerak sementara gaya gesekan kinetik persis menentang gaya yang diberikan. Hal ini menghasilkan kekuatan nol bersih, tapi karena objek dimulai dengan kecepatan non-nol, hal itu terus bergerak dengan kecepatan non-nol. Aristoteles disalahartikan gerakan ini sebagai disebabkan oleh kekuatan diterapkan. Namun, ketika gesekan kinetik dipertimbangkan jelas bahwa tidak ada gaya netto menyebabkan gerakan kecepatan konstan. [3]

Relativitas khusus

Dalam teori relativitas khusus massa dan energi adalah setara (seperti dapat dilihat dengan menghitung kerja yang dibutuhkan untuk mempercepat benda). Ketika kecepatan suatu objek meningkat demikian juga energinya dan karenanya massa ekuivalen (inersia). Dengan demikian membutuhkan kekuatan lebih untuk mempercepat itu jumlah yang sama daripada itu pada kecepatan rendah. Newton kedua hukum
\ Vec {F} = \ mathrm {d} \ vec {p} / \ mathrm {d} t
tetap berlaku karena merupakan definisi matematis. [22] Tetapi dalam rangka untuk dilestarikan, momentum relativistik harus didefinisikan ulang sebagai:
\ Vec {p} = \ frac {m \ vec {v}} {\ sqrt {1 - v ^ 2 / c ^ 2}}
mana
v adalah kecepatan dan
c adalah kecepatan cahaya .
Kekuatan ekspresi relativistik berkaitan dan percepatan untuk sebuah partikel dengan konstan tidak nol massa diam m \, bergerak dalam x \, arah adalah:
F_x = \ gamma ^ 3 m a_x \,
F_y = \ gamma m a_y \,
F_z = \ gamma m a_z \,
dimana faktor Lorentz
\ Gamma = \ frac {1} {\ sqrt {1 - v ^ 2 / c ^ 2}}. [23]
Gaya relativistik tidak menghasilkan percepatan konstan, tetapi percepatan pernah penurunan sebagai objek mendekati kecepatan cahaya. Perhatikan bahwa γ adalah tidak terdefinisi untuk sebuah objek dengan non nol massa diam pada kecepatan cahaya, dan teori hasil prediksi tidak pada kecepatan itu.
Satu namun dapat mengembalikan bentuk
F ^ \ mu = mA ^ \ mu \,
untuk digunakan dalam relativitas melalui penggunaan empat-vektor . Hubungan ini benar dalam relativitas ketika μ F adalah empat gaya , m adalah massa invarian , dan μ A adalah empat percepatan . [24]

Feynman diagram

Sebuah Feynman diagram untuk peluruhan neutron menjadi proton. Para boson W adalah antara dua simpul yang menunjukkan suatu tolakan.
Modern fisika partikel , kekuatan dan percepatan partikel dijelaskan sebagai matematika oleh-produk dari pertukaran momentum-membawa boson pengukur . Dengan pengembangan teori medan kuantum dan relativitas umum , disadari bahwa kekuatan adalah konsep berlebihan yang muncul dari kekekalan momentum ( momentum 4 dalam relativitas dan momentum partikel virtual dalam elektrodinamika kuantum ). Konservasi momentum, bisa langsung berasal dari homogenitas (= simetri pergeseran) dari ruang dan sebagainya biasanya dianggap lebih mendasar dari konsep kekuatan. Jadi saat ini dikenal gaya fundamental yang dianggap lebih akurat sebagai " interaksi fundamental ". [6] Ketika Sebuah partikel memancarkan (menciptakan) atau menyerap (menihilkan) partikel maya B, hasil konservasi momentum dalam lompatan partikel Sebuah kesan membuat tolakan atau tarik antara partikel AA 'bertukar oleh B. Deskripsi ini berlaku untuk semua kekuatan yang timbul dari interaksi fundamental. Sementara deskripsi matematika yang canggih diperlukan untuk memprediksi, penuh detail, hasil akurat interaksi tersebut, ada cara konseptual sederhana untuk menggambarkan interaksi tersebut melalui penggunaan diagram Feynman. Dalam diagram Feynman, setiap partikel materi direpresentasikan sebagai garis lurus (lihat garis dunia ) perjalanan melalui waktu yang biasanya meningkat atas atau ke kanan dalam diagram. Materi dan anti-partikel materi adalah identik kecuali untuk arah mereka propagasi melalui diagram Feynman. Dunia baris partikel berpotongan pada titik interaksi , dan diagram Feynman mewakili setiap kekuatan yang timbul dari interaksi sebagai terjadi pada simpul dengan perubahan sesaat terkait dalam arah garis partikel dunia. Gauge boson dipancarkan jauh dari titik sebagai garis bergelombang (mirip dengan gelombang) dan, dalam kasus pertukaran partikel maya, diserap pada titik yang berdekatan. [25]
Utilitas dari diagram Feynman adalah bahwa jenis lain dari fenomena fisik yang merupakan bagian dari gambaran umum dari interaksi fundamental , tetapi secara konseptual terpisah dari pasukan juga dapat digambarkan dengan menggunakan aturan yang sama. Sebagai contoh, diagram Feynman bisa menjelaskan secara rinci ringkas bagaimana neutron meluruh menjadi elektron , proton , dan neutrino , yang dimediasi oleh boson interaksi alat ukur yang sama yang bertanggung jawab untuk gaya nuklir lemah . [25]

Fundamental model

Semua kekuatan di alam semesta didasarkan pada empat interaksi fundamental . Pasukan yang kuat dan lemah bertindak hanya pada jarak yang sangat pendek, dan bertanggung jawab untuk interaksi antara partikel-partikel subatomik , termasuk nukleon dan senyawa inti . Gaya elektromagnetik tindakan antara muatan listrik dan gaya gravitasi tindakan antara massa. Semua kekuatan lain didasarkan pada keberadaan empat interaksi fundamental. Sebagai contoh, gesekan adalah manifestasi dari gaya elektromagnetik bertindak antara atom-atom dua permukaan , dan Prinsip Pengecualian Pauli , [26] yang tidak memungkinkan atom untuk melewati satu sama lain. Kekuatan di mata air , dimodelkan oleh hukum Hooke , juga merupakan akibat dari kekuatan elektromagnetik dan Prinsip Pengecualian bertindak bersama-sama untuk kembali objek ke posisi ekuilibrium. kekuatan sentrifugal adalah percepatan kekuatan yang timbul hanya dari percepatan rotasi kerangka acuan . [ 3]
Pengembangan teori fundamental bagi pasukan berjalan sepanjang garis penyatuan ide-ide yang berbeda. Sebagai contoh, Isaac Newton bersatu kekuatan yang bertanggung jawab untuk benda yang jatuh di permukaan bumi dengan kekuatan bertanggung jawab atas orbit mekanika angkasa dalam teori universal tentang gravitasi. Michael Faraday dan James Clerk Maxwell menunjukkan bahwa kekuatan listrik dan magnetik yang bersatu melalui salah satu yang konsisten teori elektromagnetisme. Pada abad kedua puluh, perkembangan mekanika kuantum menyebabkan pemahaman modern yang tiga gaya fundamental pertama (semua kecuali gravitasi) adalah manifestasi materi ( fermion ) berinteraksi dengan bertukar partikel virtual disebut boson mengukur . [27] Ini model standar partikel fisika berpendapat kesamaan antara kekuatan dan ilmuwan yang dipimpin untuk memprediksi penyatuan kekuatan lemah dan elektromagnetik dalam elektrolemah teori kemudian dikonfirmasi oleh observasi. Formulasi lengkap dari model standar memprediksi yang belum teramati mekanisme Higgs , tetapi pengamatan seperti osilasi neutrino menunjukkan bahwa model standar lengkap. Sebuah teori penyatuan besar memungkinkan untuk kombinasi interaksi elektrolemah dengan kekuatan yang kuat diadakan keluar sebagai kemungkinan calon dengan teori-teori seperti supersimetri diusulkan untuk mengakomodasi beberapa yang beredar masalah yang belum terpecahkan dalam fisika . Fisikawan masih berusaha untuk mengembangkan model penyatuan diri yang konsisten yang akan menggabungkan keempat interaksi fundamental menjadi sebuah teori segalanya . Einstein mencoba dan gagal di usaha ini, namun saat ini pendekatan yang paling populer untuk menjawab pertanyaan ini adalah teori string . [6]

Gaya berat

Sebuah benda awalnya stasioner yang dibiarkan jatuh bebas di bawah gravitasi tetes jarak yang proporsional dengan kuadrat waktu berlalu. Gambar diambil 20 berkedip per detik. Selama 1/20th pertama bola kedua tetes satu unit jarak (di sini, sebuah unit adalah sekitar 12 mm), dengan 2/20ths telah menjatuhkan total 4 unit; oleh 3/20ths, 9 unit dan sebagainya .
Apa yang sekarang kita sebut gravitasi tidak diidentifikasi sebagai kekuatan universal sampai karya Isaac Newton. Sebelum Newton, kecenderungan untuk benda jatuh ke bumi tidak dipahami berkaitan dengan gerakan benda-benda langit. Galileo berperan dalam menggambarkan karakteristik dari benda jatuh dengan menentukan bahwa percepatan dari setiap objek di jatuh bebas adalah konstan dan independen dari massa benda. Saat ini, percepatan gravitasi menuju permukaan bumi biasanya ditunjuk sebagai \ Vec {g} dan memiliki magnitudo sekitar 9,81 meter per detik kuadrat (pengukuran ini diambil dari permukaan laut dan dapat bervariasi tergantung pada lokasi), dan menunjuk ke arah pusat bumi. [28] Pengamatan ini berarti bahwa gaya gravitasi pada suatu benda di permukaan bumi adalah berbanding lurus dengan massa benda. Jadi sebuah benda yang memiliki massa m akan mengalami gaya:
\ Vec {F} = m \ vec {g}
Dalam jatuh bebas, gaya ini terlindung dan karena itu gaya netto pada objek adalah beratnya. Untuk objek tidak jatuh bebas, gaya gravitasi ditentang oleh reaksi mendukung mereka. Misalnya, orang yang berdiri di tanah pengalaman gaya netto nol, karena berat badannya seimbang dengan gaya normal yang diberikan oleh tanah. [3]
Kontribusi teori Newton untuk gravitasi untuk menyatukan gerakan benda langit, yang Aristoteles telah diasumsikan berada dalam keadaan alami gerakan konstan, dengan gerak jatuh diamati di Bumi. Ia mengusulkan hukum gravitasi yang dapat menjelaskan gerakan surgawi yang telah dijelaskan sebelumnya menggunakan Hukum Kepler Motion Planetary . [29]
Newton menyadari bahwa efek gravitasi dapat diamati dengan cara yang berbeda pada jarak yang lebih besar. Secara khusus, Newton menentukan bahwa percepatan Bulan mengelilingi Bumi bisa berasal gaya gravitasi yang sama jika percepatan akibat gravitasi menurun sebagai hukum kuadrat terbalik . Selanjutnya, Newton menyadari bahwa percepatan karena gravitasi sebanding dengan massa tubuh menarik. [29] Menggabungkan ide-ide ini memberikan formula yang berhubungan massa ( M_ \ oplus ) Dan radius ( R_ \ oplus ) Dari Bumi untuk percepatan gravitasi:
\ Vec {g} =- \ frac {GM_ \ oplus} {{R_ \ oplus} ^ 2} \ hat {r}
mana arah vektor diberikan oleh \ Hat {r} , Yang vektor satuan diarahkan keluar dari pusat bumi. [10]
Dalam persamaan ini, G konstan dimensi digunakan untuk menggambarkan kekuatan relatif dari gravitasi. Konstan ini telah datang untuk dikenal sebagai Konstan Gravitasi Universal Newton , [30] meskipun nilainya tidak diketahui dalam hidup Newton. Tidak sampai 1798 adalah Henry Cavendish mampu membuat pengukuran pertama dari G menggunakan pilinan keseimbangan , ini dilaporkan secara luas di pers sebagai pengukuran massa Bumi sejak mengetahui G bisa memungkinkan seseorang untuk memecahkan massa bumi diberikan persamaan di atas. Newton, bagaimanapun, menyadari bahwa karena semua benda angkasa yang sama mengikuti hukum gerak , hukum gravitasi itu harus bersifat universal. Singkatnya menyatakan, Hukum Newton tentang Gravitasi menyatakan bahwa gaya pada objek bola dengan massa m 1 karena tarikan gravitasi massa m 2
\ Vec {F} =- \ frac {1} {Gm_ M_ {2}} {r ^ 2} \ hat {r}
dimana r adalah jarak antara pusat dua benda 'dari massa dan \ Hat {r} adalah vektor satuan menunjuk ke arah jauh dari pusat objek pertama menuju pusat dari objek kedua. [10]
Formula ini cukup kuat untuk berdiri sebagai dasar untuk semua deskripsi berikutnya gerak dalam tata surya sampai abad kedua puluh. Selama waktu itu, metode canggih analisis perturbasi [31] diciptakan untuk menghitung penyimpangan orbit karena pengaruh beberapa mayat di planet , bulan , komet , atau asteroid . Formalisme itu pasti cukup untuk memungkinkan hebat matematika untuk memprediksi keberadaan planet Neptunus sebelum diamati. [32]
Hanya orbit planet Merkurius bahwa Hukum Newton tentang Gravitasi sepertinya tidak sepenuhnya menjelaskan. Beberapa astrofisikawan memperkirakan adanya planet lain ( Vulcan ) yang akan menjelaskan perbedaan, namun, meskipun beberapa indikasi awal, tidak ada planet seperti itu dapat ditemukan. Ketika Albert Einstein akhirnya merumuskan teori relativitas umum (GR) ia mengalihkan perhatiannya pada masalah orbit Merkurius dan menemukan bahwa teorinya menambahkan koreksi yang dapat menjelaskan perbedaan tersebut . Ini adalah pertama kalinya bahwa Teori Newton tentang Gravitasi telah terbukti kurang benar daripada alternatif. [33]
Sejak saat itu, dan sejauh ini, relativitas umum telah diakui sebagai teori yang terbaik menjelaskan gravitasi. Dalam GR, gravitasi tidak dipandang sebagai kekuatan, melainkan, objek bergerak bebas dalam medan gravitasi perjalanan di bawah inersia mereka sendiri dalam garis lurus melalui ruang-waktu melengkung - didefinisikan sebagai jalur ruang-waktu terpendek antara dua ruang-waktu kejadian. Dari perspektif objek, gerak semua terjadi seolah-olah tidak ada gravitasi apapun. Hanya ketika mengamati gerakan dalam arti global yang kelengkungan ruang-waktu dapat diamati dan gaya adalah disimpulkan dari jalan melengkung objek. Dengan demikian, jalan garis lurus dalam ruang-waktu dipandang sebagai garis melengkung dalam ruang, dan hal itu disebut balistik lintasan objek. Misalnya, basket dilempar dari tanah bergerak di parabola , seperti di bidang gravitasi seragam. Ruang-waktu lintasan (ketika dimensi ekstra ct ditambahkan) adalah hampir garis lurus, sedikit melengkung (dengan jari-jari kelengkungan dari urutan beberapa tahun cahaya ). Turunan waktu dari momentum perubahan objek adalah apa yang kita sebut sebagai "gaya gravitasi". [3]

Kekuatan elektromagnetik

Ini gaya elektrostatik pertama kali dijelaskan pada 1784 oleh Coulomb sebagai kekuatan yang ada intrinsik antara dua tuduhan . [34] Sifat-sifat gaya elektrostatik adalah bahwa itu bervariasi sebagai hukum kuadrat terbalik diarahkan dalam arah radial , adalah baik menarik dan menjijikkan ( ada intrinsik polaritas ), adalah independen dari massa benda yang dikenakan, dan mengikuti prinsip superposisi . Hukum Coulomb menyatukan semua pengamatan ke dalam satu pernyataan ringkas. [35]
Matematikawan berikutnya dan fisikawan menemukan membangun dari medan listrik akan berguna untuk menentukan gaya elektrostatik pada muatan listrik pada setiap titik dalam ruang. Medan listrik didasarkan pada menggunakan "hipotetis biaya tes "di mana saja dalam ruang dan kemudian menggunakan Hukum Coulomb untuk menentukan gaya elektrostatik. [36] Dengan demikian medan listrik di mana saja dalam ruang didefinisikan sebagai
\ Vec {E} = {\ vec {F} \ over {q}}
di mana q adalah besarnya biaya pengujian hipotesis.
Sementara itu, kekuatan Lorentz dari magnetisme ditemukan ada di antara dua arus listrik . Ini memiliki karakter matematika sama seperti Hukum Coulomb dengan ketentuan bahwa arus seperti menarik dan tidak seperti arus mengusir. Serupa dengan medan listrik, medan magnet dapat digunakan untuk menentukan gaya magnet pada arus listrik pada setiap titik dalam ruang. Dalam hal ini, besarnya medan magnet ditentukan untuk menjadi
B = {F \ over {Aku \ ell}}
dimana I adalah besarnya uji hipotesis saat ini dan \ Ell adalah panjang kawat hipotetis yang mengalir melalui tes saat ini. Medan magnet memberikan gaya pada semua magnet termasuk, misalnya, yang digunakan dalam kompas . Fakta bahwa medan magnet bumi sejalan erat dengan orientasi bumi sumbu menyebabkan magnet kompas menjadi berorientasi karena gaya magnet menarik jarum.
Melalui menggabungkan definisi arus listrik sebagai laju perubahan terhadap waktu dari muatan listrik, aturan perkalian vektor disebut Hukum Lorentz yang menggambarkan gaya pada muatan bergerak dalam medan magnet. [36] Hubungan antara listrik dan magnet memungkinkan untuk deskripsi dari gaya elektromagnetik terpadu yang bekerja pada biaya. Gaya ini dapat ditulis sebagai jumlah dari gaya elektrostatik (karena medan listrik) dan gaya magnet (karena medan magnet). Sepenuhnya menyatakan, ini adalah hukum:
\ Vec {F} = q (\ vec {E} + \ vec {v} \ kali \ vec {B})
mana \ Vec {F} adalah gaya elektromagnetik, q adalah besarnya muatan partikel, \ Vec {E} adalah medan listrik, \ Vec {v} adalah kecepatan partikel yang disilangkan dengan medan magnet ( \ Vec {B} ).
Asal medan listrik dan magnet tidak akan sepenuhnya dijelaskan sampai 1864 ketika James Clerk Maxwell terpadu sejumlah teori sebelumnya ke dalam satu set persamaan skalar 20, yang kemudian dirumuskan menjadi 4 persamaan vektor oleh Oliver Heaviside dan Willard Gibbs . [37] Ini " Persamaan Maxwell "sepenuhnya menggambarkan sumber ladang sebagai stasioner dan biaya bergerak, dan interaksi dari bidang sendiri. Hal ini menyebabkan Maxwell menemukan bahwa medan listrik dan magnet dapat "self-menghasilkan" melalui gelombang yang bepergian dengan kecepatan yang dihitung sebagai kecepatan cahaya . Ini bersatu wawasan bidang baru lahir teori elektromagnetik dengan optik dan dipimpin langsung ke gambaran lengkap dari spektrum elektromagnetik . [38]
Namun, berusaha untuk mendamaikan teori elektromagnetik dengan dua pengamatan, efek fotolistrik , dan noneksistensi dari bencana ultraviolet , terbukti bermasalah. Melalui karya fisikawan teoritis terkemuka, teori baru elektromagnetisme dikembangkan menggunakan mekanika kuantum. Modifikasi terakhir untuk teori elektromagnetik pada akhirnya menyebabkan elektrodinamika kuantum (atau QED), yang sepenuhnya menggambarkan semua fenomena elektromagnetik sebagai gelombang dimediasi oleh partikel yang dikenal sebagai foton . Dalam QED, foton adalah partikel fundamental yang dijelaskan pertukaran semua interaksi yang berkaitan dengan elektromagnetisme termasuk gaya elektromagnetik. [39]
Ini adalah kesalahpahaman umum untuk menganggap kekakuan dan kekakuan bahan padat ke tolakan biaya seperti di bawah pengaruh gaya elektromagnetik. Namun, karakteristik ini sebenarnya hasil dari Prinsip Pengecualian Pauli . Karena elektron fermion , mereka tidak bisa menempati sama keadaan kuantum mekanik sebagai elektron lainnya. Ketika elektron dalam suatu material yang padat dikemas bersama-sama, tidak ada cukup rendah energi kuantum mekanik negara untuk mereka semua, sehingga beberapa dari mereka harus dalam keadaan energi yang lebih tinggi. Ini berarti bahwa dibutuhkan energi untuk pak mereka bersama-sama. Sementara efek ini dimanifestasikan makroskopik sebagai kekuatan struktural, secara teknis hanya akibat dari adanya suatu himpunan berhingga negara elektron.

Nuklir pasukan

Ada dua "kekuatan nuklir" yang saat ini biasanya digambarkan sebagai interaksi yang terjadi dalam teori kuantum fisika partikel. Para gaya nuklir kuat [40] adalah gaya yang bertanggung jawab untuk integritas struktural inti atom sedangkan gaya nuklir lemah [41] bertanggung jawab atas peluruhan tertentu nukleon dalam lepton dan jenis-jenis hadron . [3]
Gaya kuat adalah hari ini dipahami untuk mewakili interaksi antara quark dan gluon sebagai rinci oleh teori kuantum chromodinamika (QCD). [42] Gaya kuat adalah gaya dasar yang dimediasi oleh gluon , bertindak atas quark, antiquark , dan gluon sendiri . Interaksi (aptly bernama) yang kuat adalah "terkuat" dari empat gaya fundamental.
Gaya kuat hanya bertindak langsung pada partikel elementer. Namun, sisa gaya adalah diamati antara hadron (contoh dikenal terbaik menjadi kekuatan yang bertindak antara nukleon dalam inti atom) sebagai gaya nuklir . Di sini kekuatan kuat bertindak secara tidak langsung, ditransmisikan sebagai gluon yang merupakan bagian dari pi virtual dan rho meson yang mengirimkan klasik gaya nuklir (lihat topik ini untuk lebih). Kegagalan pencarian banyak quark bebas telah menunjukkan bahwa partikel elementer yang terkena dampak tidak langsung dapat diamati. Fenomena ini disebut pengurungan warna .
Gaya lemah adalah karena pertukaran yang berat boson W dan Z . Efeknya paling akrab adalah peluruhan beta (neutron dalam inti atom) dan terkait radioaktivitas . Kata "lemah" berasal dari fakta bahwa kekuatan medan adalah beberapa 10 13 kali lebih sedikit dibandingkan dengan kekuatan yang kuat . Namun, itu lebih kuat dari gravitasi jarak pendek. Sebuah teori elektrolemah yang konsisten juga telah dikembangkan yang menunjukkan bahwa gaya elektromagnetik dan gaya lemah yang bisa dibedakan pada suhu di atas sekitar 10 15 kelvin . Suhu tersebut telah diperiksa modern akselerator partikel dan menunjukkan kondisi alam semesta di saat-saat awal Big Bang .

Non-fundamental kekuatan

Beberapa pasukan konsekuensi mendasar. Dalam situasi seperti itu, model ideal dapat dimanfaatkan untuk mendapatkan wawasan fisik.

Normal berlaku

F N mewakili gaya normal yang bekerja pada objek.
Gaya normal adalah gaya tolak interaksi antara atom pada kontak yang dekat. Ketika awan elektron mereka tumpang tindih, tolakan Pauli (karena fermion sifat elektron ) mengikuti menghasilkan kekuatan yang bertindak yang normal ke antarmuka permukaan antara dua benda. [43] Gaya normal, misalnya, bertanggung jawab untuk integritas struktural tabel dan lantai serta menjadi kekuatan yang merespon setiap kali kekuatan eksternal mendorong pada benda padat. Sebuah contoh dari gaya normal dalam tindakan adalah kekuatan dampaknya pada objek menabrak permukaan bergerak. [3]

Gesekan

Gesekan adalah kekuatan permukaan yang melawan gerakan relatif. Gaya gesekan secara langsung berhubungan dengan gaya normal yang bertindak untuk menjaga dua benda padat yang dipisahkan pada titik kontak. Ada dua klasifikasi yang luas dari gaya gesek: gesekan statik dan gesekan kinetik .
Gaya gesekan statis (F sf) tepat akan menentang kekuatan diterapkan ke objek paralel ke permukaan kontak sampai batas yang ditentukan oleh koefisien gesekan statis sf) dikalikan dengan gaya normal (N F). Dengan kata lain besarnya gaya gesekan statis memenuhi ketidaksamaan:
0 \ le F_ {\ mathrm {sf}} \ le \ mu_ {\ mathrm {}} sf F_ \ mathrm {N} .
Gaya gesekan kinetik (F kf) adalah independen dari kedua pasukan diterapkan dan gerakan objek. Jadi, besarnya gaya sama dengan:
F = μ kf kf F N,
di mana μ kf adalah koefisien gesekan kinetik . Untuk antarmuka permukaan yang paling, koefisien gesekan kinetik kurang dari koefisien gesek statis. [3]

Ketegangan

Kekuatan Ketegangan dapat dimodelkan dengan menggunakan string yang ideal yang tak bermassa, gesekan, bisa dipecahkan, dan unstretchable. Mereka dapat dikombinasikan dengan ideal puli yang memungkinkan string yang ideal untuk beralih arah fisik. String yang ideal mengirimkan pasukan ketegangan seketika dalam aksi-reaksi pasangan sehingga jika dua benda yang dihubungkan oleh sebuah string yang ideal, setiap kekuatan diarahkan sepanjang tali dengan objek pertama disertai dengan kekuatan diarahkan sepanjang string dalam arah yang berlawanan dengan obyek kedua . [44] Dengan menghubungkan string yang sama beberapa kali ke objek yang sama melalui penggunaan set-up yang menggunakan katrol bergerak, gaya tegangan pada beban dapat dikalikan. Untuk setiap string yang bekerja pada beban, faktor lain dari gaya tegangan pada tali bekerja pada beban. Namun, meskipun mesin tersebut memungkinkan untuk peningkatan yang berlaku , ada peningkatan yang sesuai dalam panjang string yang harus mengungsi untuk memindahkan beban. Efek ini tandem hasil akhirnya dalam konservasi energi mekanik sejak kerja yang dilakukan pada beban adalah sama tidak peduli betapa rumit mesin. [3] [45]

Kekuatan elastis

F k adalah kekuatan yang merespon beban pada pegas.
Kekuatan elastis bertindak untuk kembali musim semi untuk panjang alaminya. Sebuah pegas yang ideal adalah dianggap tak bermassa, gesekan, bisa dipecahkan, dan tak terbatas elastis. Mata air seperti mengerahkan pasukan yang mendorong ketika dikontrak, atau tarik ketika diperluas, sebanding dengan perpindahan musim semi dari posisi kesetimbangan. [46] Hubungan linier telah dijelaskan oleh Robert Hooke pada 1676, untuk siapa hukum Hooke bernama. Jika Δ x adalah perpindahan, gaya yang diberikan oleh sebuah pegas yang ideal sama dengan:
\ Vec {F} =- k \ Delta \ vec {x}
di mana k adalah konstanta pegas (atau gaya konstan), yang khusus untuk musim semi. Rekening tanda minus untuk kecenderungan kekuatan untuk bertindak bertentangan dengan beban yang diterapkan. [3]

Continuum mekanika

Ketika gaya tarik (F d) berhubungan dengan resistensi udara menjadi sama besarnya dengan gaya gravitasi pada benda jatuh (F g), objek mencapai keadaan kesetimbangan dinamis pada kecepatan terminal .
Hukum Newton dan mekanika Newton pada umumnya pertama kali dikembangkan untuk menggambarkan bagaimana kekuatan mempengaruhi ideal partikel titik daripada benda tiga dimensi. Namun, dalam kehidupan nyata, materi struktur diperpanjang dan kekuatan yang bekerja pada salah satu bagian dari sebuah objek dapat mempengaruhi bagian lain dari objek. Untuk situasi di mana kisi memegang bersama atom dalam suatu objek dapat mengalir, kontrak, memperluas, atau berubah bentuk, teori mekanika kontinum menggambarkan cara mempengaruhi kekuatan material. Misalnya, dalam diperpanjang cairan , perbedaan tekanan menyebabkan pasukan diarahkan sepanjang tekanan gradien sebagai berikut:
\ Frac {\ vec {F}} {V} = - \ vec {\ nabla} P
di mana V adalah volume benda dalam cairan dan P adalah fungsi skalar yang menggambarkan tekanan di semua lokasi di ruang angkasa. Tekanan gradien dan hasil perbedaan dalam gaya apung untuk cairan tersuspensi dalam medan gravitasi, angin di ilmu atmosfer , dan angkat terkait dengan aerodinamis dan penerbangan . [3]
Sebuah contoh spesifik dari sebuah kekuatan yang berhubungan dengan tekanan dinamis adalah resistansi fluida: gaya tubuh yang menolak gerak sebuah objek melalui cairan karena viskositas . Untuk yang disebut " Stokes 'tarik "kekuatan adalah sekitar sebanding dengan kecepatan, tetapi berlawanan arah:
\ Vec {F} _ \ mathrm {d} = - b \ vec {v} \,
di mana:
b adalah konstanta yang tergantung pada sifat dari fluida dan dimensi dari objek (biasanya luas penampang ), dan
\ Vec {v} adalah kecepatan objek. [3]
Lebih formal, kekuatan dalam mekanika kontinum sepenuhnya dijelaskan oleh stres tensor dengan istilah yang kira-kira didefinisikan sebagai
\ Sigma = \ frac {F} {A}
di mana A adalah luas penampang yang relevan untuk volume yang stres-tensor sedang dihitung. Formalisme Ini termasuk hal yang terkait dengan tekanan kekuatan yang bersikap normal ke area cross-sectional (pada diagonal matriks dari tensor tersebut) serta geser istilah yang terkait dengan pasukan yang bertindak sejajar dengan luas penampang (off-diagonal elemen). Rekening Tensor stres bagi kekuatan-kekuatan yang menyebabkan semua deformasi termasuk juga menekankan tarik dan kompresi .

Fiktif pasukan

Ada kekuatan-kekuatan yang bingkai tergantung , yang berarti bahwa mereka muncul karena penerapan non-Newtonian (yaitu, non-inersia ) kerangka acuan . Pasukan tersebut termasuk gaya sentrifugal dan gaya Coriolis . [47] Kekuatan ini dianggap fiktif karena mereka tidak ada dalam kerangka acuan yang tidak dipercepat. [3]
Dalam relativitas umum , gravitasi menjadi kekuatan fiktif yang muncul dalam situasi di mana menyimpang dari geometri ruang-waktu datar. Sebagai perpanjangan, Kaluza-Klein teori dan teori string yang menganggap elektromagnetisme dan lainnya gaya dasar masing-masing untuk kelengkungan dimensi skala yang berbeda, yang pada akhirnya akan berarti bahwa semua kekuatan adalah fiktif.

Rotasi dan torsi

Hubungan antara gaya (F), torsi (τ), dan momentum vektor (p dan L) dalam sistem berputar.
Pasukan yang menyebabkan benda diperpanjang untuk memutar dikaitkan dengan momen puntir . Matematis, torsi pada sebuah partikel didefinisikan sebagai produk silang :
\ Vec {\ tau} = \ vec {r} \ kali \ vec {F}
mana
\ Vec {r} adalah partikel vektor posisi relatif terhadap poros
\ Vec {F} adalah gaya yang bekerja pada partikel.
Torsi adalah setara rotasi kekuatan dalam cara yang sama bahwa sudut rotasi adalah setara untuk posisi , kecepatan sudut untuk kecepatan , dan momentum sudut untuk momentum . Semua perlakuan formal dari Hukum Newton yang diterapkan kepada pasukan ekuivalen berlaku untuk torsi. Dengan demikian, sebagai konsekuensi dari Hukum Pertama Newton tentang Gerak, ada inersia rotasi yang memastikan bahwa semua badan mempertahankan momentum sudut mereka kecuali ditindaklanjuti oleh torsi tidak seimbang. Demikian juga, Hukum Kedua Newton tentang Gerak dapat digunakan untuk menarik suatu definisi alternatif torsi:
\ Vec {\ tau} = Aku \ vec {\ alpha}
mana
I adalah momen inersia partikel
\ Vec {\ alpha} adalah percepatan sudut partikel.
Hal ini memberikan definisi untuk momen inersia yang setara rotasi untuk massa. Dalam perawatan lebih maju mekanika, momen inersia bertindak sebagai tensor itu, ketika benar dianalisis, sepenuhnya menentukan karakteristik rotasi termasuk presesi dan angguk kepala .
Ekuivalen, bentuk diferensial Hukum Kedua Newton memberikan definisi alternatif torsi:
\ Vec {\ tau} = \ frac {\ mathrm {d} \ vec {L}} {\ mathrm {dt}}, [48]
mana \ Vec {L} adalah momentum sudut dari partikel.
Hukum Ketiga Newton tentang Gerak mensyaratkan bahwa semua benda mengerahkan torsi torsi sendiri pengalaman yang sama dan berlawanan, [49] dan karena itu juga secara langsung menyiratkan kekekalan momentum sudut untuk sistem tertutup bahwa pengalaman rotasi dan revolusi melalui aksi torsi internal.

Kekuatan sentripetal

Untuk mempercepat suatu objek dalam gerakan melingkar, gaya tidak seimbang yang bekerja pada benda sama dengan: [50]
\ Vec {F} = - \ frac {mv ^ 2 \ hat {r}} {r}
di mana m adalah massa benda, v adalah kecepatan benda dan r adalah jarak ke pusat jalur melingkar dan \ Hat {r} adalah vektor satuan menunjuk ke arah radial keluar dari pusat. Ini berarti bahwa gaya sentripetal tidak seimbang dirasakan oleh objek apapun selalu diarahkan menuju pusat jalur melengkung. Kekuatan-kekuatan itu bekerja tegak lurus terhadap vektor kecepatan yang terkait dengan gerakan obyek, dan karena itu tidak mengubah kecepatan dari objek (besarnya kecepatan), tetapi hanya arah vektor kecepatan. Kekuatan tidak seimbang yang mempercepat suatu objek dapat diselesaikan menjadi komponen yang tegak lurus ke jalan, dan salah satu yang tangensial ke jalan. Ini menghasilkan gaya tangensial baik yang mempercepat objek dengan baik memperlambat itu turun atau mempercepat itu dan gaya (sentripetal) radial yang berubah arah. [3]

Kinematis integral

Pasukan dapat digunakan untuk menentukan sejumlah konsep fisik dengan mengintegrasikan sehubungan dengan variabel-variabel kinematik . Sebagai contoh, integrasi terhadap waktu memberikan definisi impuls [51]
\ Vec {Aku} = \ int_ {} ^ {t_1 t_2} {\ vec {F} \ mathrm {d} t}
yang, oleh Hukum Kedua Newton, harus setara dengan perubahan dalam momentum (yang menghasilkan teorema momentum Impulse ).
Demikian pula, mengintegrasikan sehubungan dengan posisi memberikan definisi untuk pekerjaan yang dilakukan oleh kekuatan: [52]
W = \ int_ {\ vec {x}} ^ {_1 \ vec {x} _2} {\ vec {F} \ cdot {\ mathrm {d} \ vec {x}}}
yang setara dengan perubahan energi kinetik (yang menghasilkan energi teorema bekerja ). [52]
Daya P adalah tingkat perubahan d W / d t pekerjaan W, sebagai lintasan diperpanjang dengan mengubah posisi \ Teks {d} \ vec {x} \, dalam interval waktu t d: [53]
\ Teks {d} W \, = \, \ frac {\ text {d} W} {\ text {d} \ vec {x}} \, \ cdot \, \ {d} teks \ vec {x} \ , = \, \ vec {F} \, \ cdot \, \ {d} teks \ vec {x}, \ qquad \ teks {sehingga} \ quad P \, = \, \ frac {\ text {d} W } {\ text {d} \ vec {x}} \, \ cdot \, \ frac {\ text {d} \ vec {x}} {\ text {d} t} \, = \, \ vec {F } \, \ cdot \, \ vec {v},
dengan \ Vec {v} = \ text {d} \ vec {x} / \ text {d} t yang kecepatan .

Potensi energi

Alih-alih kekuatan, sering konsep matematis terkait dari energi potensial lapangan dapat digunakan untuk kenyamanan. Misalnya, gaya gravitasi yang bekerja pada suatu benda dapat dilihat sebagai aksi medan gravitasi yang hadir di lokasi objek. Ulangan matematis definisi energi (melalui definisi kerja ), potensi medan skalar U (\ vec {r}) didefinisikan sebagai bahwa bidang yang gradien adalah sama dan berlawanan dengan gaya yang dihasilkan pada setiap titik:
\ Vec {F} =- \ vec {\ nabla} U.
Pasukan dapat diklasifikasikan sebagai konservatif atau nonconservative. Kekuatan konservatif yang setara dengan gradien dari sebuah potensial , sementara pasukan non-konservatif tidak. [3]

Konservatif pasukan

Sebuah gaya konservatif yang bekerja pada suatu sistem tertutup memiliki kerja mekanik yang terkait yang memungkinkan energi untuk mengkonversi hanya antara kinetik atau potensial bentuk. Ini berarti bahwa untuk sistem tertutup, bersih energi mekanik kekal kapan pun gaya konservatif bekerja pada sistem. Memaksa, karena itu, adalah terkait langsung dengan perbedaan energi potensial antara dua lokasi berbeda dalam ruang, [54] dan dapat dianggap sebagai artefak dari medan potensial dalam cara yang sama bahwa arah dan jumlah aliran air dapat dianggap sebagai artefak dari peta kontur dari ketinggian suatu daerah. [3]
Kekuatan konservatif termasuk gravitasi , yang elektromagnetik kekuatan, dan musim semi kekuatan. Masing-masing kekuatan memiliki model yang tergantung pada posisi seringkali diberikan sebagai vektor radial \ Vec {r} berasal dari bola simetris potensi. [55] Contoh tindak ini:
Untuk gravitasi:
\ Vec {F} = - \ frac {G m_1 m_2 \ vec {r}} {r ^ 3}
di mana G adalah konstanta gravitasi , dan m n adalah massa benda n.
Untuk gaya elektrostatik:
\ Vec {F} = \ frac {1} {Q_ Q_ {2} \ vec {r}} {4 \ pi \ epsilon_ {0} r ^ 3}
mana \ Epsilon_ {0} adalah permitivitas ruang bebas listrik , dan q n adalah muatan listrik n objek.
Untuk kekuatan musim semi:
\ Vec {F} = - k \ vec {r}
di mana k adalah konstanta pegas . [3]

Nonconservative pasukan

Untuk skenario fisik tertentu, adalah mustahil untuk pasukan Model sebagai akibat gradien potensi. Hal ini sering karena pertimbangan macrophysical yang menghasilkan kekuatan timbul dari rata-rata statistik makroskopik dari microstates . Sebagai contoh, gesekan disebabkan oleh gradien banyak potensi elektrostatik antara atom-atom , namun mewujud sebagai model kekuatan yang independen dari setiap vektor posisi macroscale. Nonconservative kekuatan lain selain gesekan lainnya termasuk pasukan kontak , ketegangan , kompresi , dan tarik . Namun, untuk setiap deskripsi cukup rinci, semua kekuatan ini hasil dari orang-orang konservatif, karena masing-masing kekuatan makroskopik adalah hasil bersih dari gradien potensi mikroskopis. [3]
Hubungan antara non-konservatif makroskopis dan gaya konservatif mikroskopis pasukan dijelaskan oleh pengobatan rinci dengan mekanika statistik . Dalam sistem tertutup makroskopis, pasukan nonconservative bertindak untuk mengubah energi internal yang dari sistem, dan sering dikaitkan dengan transfer panas . Menurut Hukum Kedua Termodinamika , pasukan nonconservative tentu mengakibatkan transformasi energi dalam sistem tertutup dari diperintahkan untuk kondisi acak lebih sebagai entropi meningkat. [3]

Unit pengukuran

Para SI satuan gaya adalah newton (simbol N), yang merupakan gaya yang dibutuhkan untuk mempercepat massa kilogram satu tingkat satu meter per detik kuadrat, atau kg · M · s -2. [56] Para sesuai CGS Unit adalah dyne , gaya yang dibutuhkan untuk mempercepat massa gram satu per satu sentimeter per detik kuadrat, atau G · cm ° S -2. Sebuah newton demikian sama dengan 100.000 dyne.
Gravitasi kaki-pon-kedua satuan bahasa Inggris gaya adalah pound-force (lbf), didefinisikan sebagai gaya yang diberikan oleh gravitasi pada massa pound di gravitasi standar bidang 9,80665 M · s -2. [56] Pound force menyediakan unit alternatif massa: satu siput . adalah massa yang akan mempercepat dengan satu kaki per detik kuadrat ketika bertindak dengan satu kekuatan pon- [56]
Sebuah unit alternatif kekuatan dalam sistem kaki-pon-detik yang berbeda, sistem fps mutlak, adalah poundal , didefinisikan sebagai gaya yang dibutuhkan untuk mempercepat massa pon satu tingkat satu kaki per detik kuadrat. [56] Unit-unit dari siput dan poundal dirancang untuk menghindari konstanta proporsionalitas dalam hukum kedua Newton .
Pound-force memiliki mitra metrik, kurang umum digunakan daripada newton: yang kilogram gaya . (kgf) (kadang-kadang kilopond), adalah gaya gravitasi yang diberikan oleh standar pada satu kilogram massa [56] Para kilogram gaya mengarah ke unit alternatif, namun jarang digunakan massa: dalam siput metrik (kadang-kadang mug atau hyl) adalah bahwa massa yang mempercepat pada 1 M · s -2 ketika mengalami kekuatan 1 kgf. Kilogram-force bukan merupakan bagian dari sistem SI yang modern, dan umumnya usang, namun masih melihat digunakan untuk beberapa tujuan sebagai pernyataan dorong jet, sepeda berbicara ketegangan, pengaturan torsi kunci pas dan torsi mesin output. Unit misterius lainnya dari daya termasuk sthène yang setara dengan 1000 N dan tidur yang setara dengan 1000 lbf.
Unit kekuatan
v · d · e newton
( SI unit)
dyne kilogram-force ,
kilopond
pon-force poundal
1 N ≡ 1 kg · m / s ² = 10 5 dyn ≈ 0,10197 kp ≈ 0,22481 £ F ≈ 7,2330 PDL
1 dyn = 10 -5 N ≡ 1 G · cm / s ² ≈ 1,0197 × 10 -6 kp ≈ 2,2481 × 10 -6 F lb ≈ 7,2330 × 10 -5 PDL
1 kp = 9,80665 N = 980665 dyn GN ° (1 kg) ≈ 2,2046 £ F ≈ 70,932 PDL
1 £ F ≈ 4.448222 N ≈ 444822 dyn ≈ 0,45359 kp GN ° (1 lb ) ≈ 32,174 PDL
1 PDL ≈ 0.138255 N ≈ 13825 dyn ≈ 0.014098 kp ≈ 0.031081 lb F ≡ £ 1 · ft / s ²
Nilai g n seperti yang digunakan dalam definisi resmi kekuatan kilogram yang digunakan di sini untuk semua unit gravitasi.