In der Physik ist eine Kraft jeder Einfluss, der einen Gegenstand verursacht, eine bestimmte Änderung, entweder bezüglich seiner Bewegung, Richtung oder bezüglich geometrischen Aufbaus zu erleben. Mit anderen Worten ist eine Kraft dass, der einen Gegenstand mit der Masse veranlassen kann, seine Geschwindigkeit zu ändern (der einschließt, um zu beginnen, sich von einem Staat des Rests zu bewegen), d. h., um sich zu beschleunigen, oder der einen flexiblen Gegenstand verursachen kann zu deformieren. Kraft kann auch durch intuitive Konzepte wie ein Stoß oder Ziehen beschrieben werden. Eine Kraft hat sowohl Umfang als auch Richtung, es eine Vektor-Menge machend. Das zweite Gesetz des Newtons wurde in ein bisschen verschiedenen aber gleichwertigen Begriffen ursprünglich formuliert: Die ursprüngliche Version stellt fest, dass die Nettokraft, die nach einem Gegenstand handelt, der Rate gleich ist, an der sich sein Schwung ändert.

Zusammenhängende Konzepte, um zu zwingen, schließen ein: Stoß, der die Geschwindigkeit eines Gegenstands vergrößert; Schinderei, die die Geschwindigkeit eines Gegenstands vermindert; und Drehmoment, das Änderungen in der Rotationsgeschwindigkeit eines Gegenstands erzeugt. Kräfte, die gleichförmig auf allen Teilen eines Körpers nicht handeln, werden auch mechanische Betonungen, einen Fachbegriff für Einflüsse verursachen, die Deformierung der Sache verursachen. Während mechanische Betonung eingebettet in einem festen Gegenstand bleiben kann, allmählich es deformierend, bestimmt die mechanische Betonung in einer Flüssigkeit Änderungen in seinem Druck und Volumen.

Entwicklung des Konzepts

Philosophen in der Altertümlichkeit haben das Konzept der Kraft in der Studie von stationären und bewegenden Gegenständen und einfachen Maschinen verwendet, aber Denker wie Aristoteles und Archimedes haben grundsätzliche Fehler im Verstehen der Kraft behalten. Teilweise war das wegen eines unvollständigen Verstehens der manchmal nichtoffensichtlichen Kraft der Reibung und einer folglich unzulänglichen Ansicht von der Natur der natürlichen Bewegung. Ein grundsätzlicher Fehler war der Glaube, dass eine Kraft erforderlich ist, Bewegung sogar an einer unveränderlichen Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten. Die meisten vorherigen Missverständnisse über die Bewegung und Kraft wurden schließlich von Herrn Isaac Newton korrigiert; mit seiner mathematischen Scharfsinnigkeit hat er Gesetze der Bewegung formuliert, die seit fast dreihundert Jahren nicht übertroffen wurden. Bis zum Anfang des 20. Jahrhunderts hat Einstein eine Relativitätstheorie entwickelt, die richtig die Handlung von Kräften auf Gegenständen mit zunehmenden Schwüngen in der Nähe von der Geschwindigkeit des Lichtes vorausgesagt hat, und auch Einblick in die Kräfte gewährt hat, die durch die Schwerkraft und Trägheit erzeugt sind.

Mit modernen Einblicken in die Quant-Mechanik und Technologie, die Partikeln in der Nähe von der Geschwindigkeit des Lichtes beschleunigen kann, hat Partikel-Physik ein Standardmodell ausgedacht, um Kräfte zwischen Partikeln zu beschreiben, die kleiner sind als Atome. Das Standardmodell sagt voraus, dass ausgetauschte Partikeln genannt Maß bosons die grundsätzlichen Mittel sind, durch die Kräfte ausgestrahlt und absorbiert werden. Nur vier Hauptwechselwirkungen sind bekannt: In der Größenordnung von der abnehmenden Kraft sind sie: stark, elektromagnetisch, schwach, und Gravitations-. Energiereiche Partikel-Physik-Beobachtungen, die während der 1970er Jahre und der 1980er Jahre gemacht sind, haben bestätigt, dass die schwachen und elektromagnetischen Kräfte Ausdrücke einer grundsätzlicheren electroweak Wechselwirkung sind.

Vornewtonische Konzepte

Seit der Altertümlichkeit ist das Konzept der Kraft als integriert zur Wirkung von jeder der einfachen Maschinen anerkannt worden. Der mechanische durch eine einfache Maschine gegebene Vorteil hat weniger Kraft berücksichtigt, die als Entgelt für diese Kraft zu verwenden ist, die über eine größere Entfernung für denselben Betrag der Arbeit handelt. Die Analyse der Eigenschaften von Kräften hat schließlich in der Arbeit von Archimedes kulminiert, der besonders berühmt war, wegen eine Behandlung von schwimmenden Flüssigkeiten innewohnenden Kräften zu formulieren.

Aristoteles hat eine philosophische Diskussion des Konzepts einer Kraft als ein integraler Bestandteil der Aristotelischen Kosmologie zur Verfügung gestellt. In Aristoteles Ansicht hat die natürliche Welt vier Elemente gehalten, die in "natürlichen Staaten" bestanden haben. Aristoteles hat geglaubt, dass es der natürliche Staat von Gegenständen mit der Masse auf der Erde, wie das Element-Wasser und die Erde war, um auf dem Boden unbeweglich zu sein, und dass sie zu diesem Staat, wenn allein gelassen, geneigt haben. Er hat zwischen der angeborenen Tendenz von Gegenständen unterschieden, ihren "natürlichen Platz" zu finden (z.B, für schwere Körper, um zu fallen), der "zu natürlicher Bewegung" und unnatürlicher oder erzwungener Bewegung geführt hat, die fortlaufende Anwendung einer Kraft verlangt hat. Diese Theorie, die auf der täglichen Erfahrung dessen gestützt ist, wie sich Gegenstände bewegen, wie die unveränderliche Anwendung einer Kraft, musste ein Karren-Bewegen behalten, hat Begriffsschwierigkeiten gehabt, für das Verhalten von Kugeln wie der Flug von Pfeilen verantwortlich zu sein. Der Platz, wo Kräfte auf Kugeln angewandt wurden, war nur am Anfang des Flugs, und während die Kugel durch die Luft gesegelt ist, folgt keine wahrnehmbare Kraft ihm. Aristoteles war dieses Problems bewusst und hat vorgeschlagen, dass die durch den Pfad der Kugel versetzte Luft die erforderliche Kraft zur Verfügung gestellt hat, um das Kugel-Bewegen fortzusetzen. Diese Erklärung fordert, dass Luft für Kugeln erforderlich ist, und dass, zum Beispiel, in einem Vakuum, sich keine Kugel nach dem anfänglichen Stoß bewegen würde. Zusätzliche Probleme mit der Erklärung schließen die Tatsache ein, dass Luft der Bewegung der Kugeln widersteht.

Aristotelische Physik hat begonnen, Kritik in der Mittelalterlichen Wissenschaft zuerst durch John Philoponus im 6. Jahrhundert zu üben.

Die Mängel der Aristotelischen Physik würden nicht völlig korrigiert, bis die Arbeit des 17. Jahrhunderts von Galileo Galilei, der unter Einfluss der spätmittelalterlichen Idee war, die in der erzwungenen Bewegung protestiert, eine angeborene Kraft des Impulses getragen hat. Galileo hat ein Experiment gebaut, in dem Steine und Kanonenkugeln beide unten eine Neigung gerollt wurden, um die Aristotelische Theorie der Bewegung am Anfang des 17. Jahrhunderts zu widerlegen. Er hat gezeigt, dass die Körper durch den Ernst in einem Ausmaß beschleunigt wurden, das ihrer Masse unabhängig war und behauptet hat, dass Gegenstände ihre Geschwindigkeit, wenn nicht gefolgt, durch eine Kraft, zum Beispiel Reibung behalten.

Newtonische Mechanik

Herr Isaac Newton hat sich bemüht, die Bewegung aller Gegenstände mit den Konzepten der Trägheit und Kraft zu beschreiben, und dabei hat er gefunden, dass sie bestimmten Bewahrungsgesetzen folgen. 1687 Newton hat fortgesetzt, seine These Philosophiae Naturalis Principia Mathematica zu veröffentlichen. In dieser Arbeit hat Newton drei Gesetze der Bewegung dargelegt, die bis jetzt die Weise sind, wie Kräfte in der Physik beschrieben werden.

Das erste Gesetz des Newtons

Das erste Gesetz von Newton der Bewegung stellt fest, dass Gegenstände fortsetzen, sich in einem Staat der unveränderlichen Geschwindigkeit, wenn nicht gehandelt, durch eine Außennettokraft oder resultierende Kraft zu bewegen. Dieses Gesetz ist eine Erweiterung der Scharfsinnigkeit von Galileo, dass unveränderliche Geschwindigkeit mit einem Mangel an der Nettokraft vereinigt wurde (sieh eine detailliertere Beschreibung davon unten). Newton hat vorgeschlagen, dass jeder Gegenstand mit der Masse eine angeborene Trägheit hat, die als das grundsätzliche Gleichgewicht "natürlicher Staat" im Platz der Aristotelischen Idee vom "natürlichen Staat des Rests" fungiert. D. h. das erste Gesetz widerspricht dem intuitiven Aristotelischen Glauben, dass eine Nettokraft erforderlich ist, einen Gegenstand zu behalten, der sich mit der unveränderlichen Geschwindigkeit bewegt. Durch das Bilden des von der unveränderlichen Nichtnullgeschwindigkeit physisch nicht zu unterscheidenden Rests verbindet das Erste Gesetz von Newton direkt Trägheit mit dem Konzept von Verhältnisgeschwindigkeiten. Spezifisch in Systemen, wohin sich Gegenstände mit verschiedenen Geschwindigkeiten bewegen, ist es unmöglich zu bestimmen, der Gegenstand "in der Bewegung" ist, und welcher Gegenstand beruhigt ist. Mit anderen Worten, zu Ausdruck-Sachen mehr technisch, sind die Gesetze der Physik dasselbe in jedem Trägheitsbezugssystem, d. h. in allen durch eine galiläische Transformation verbundenen Rahmen.

Zum Beispiel, während sie in einem bewegenden Fahrzeug an einer Geschwindigkeit reisen, ändern sich die Gesetze der Physik davon nicht, beruhigt zu sein. Eine Person kann einen Ball gerade in der Luft hochwerfen und sie fangen, weil sie hinfällt, ohne sich über die Verwendung einer Kraft in der Richtung zu sorgen, bewegt sich das Fahrzeug. Das ist wahr, wenn auch eine andere Person, die das bewegende Fahrzeug beobachtet, vorbeigeht, auch bemerkt, dass der Ball einem sich biegenden parabolischen Pfad in derselben Richtung wie die Bewegung des Fahrzeugs folgt. Es ist die Trägheit des Balls, der mit seiner unveränderlichen Geschwindigkeit in der Richtung auf die Bewegung des Fahrzeugs vereinigt ist, die sicherstellt, dass der Ball fortsetzt voranzukommen, gerade als es hochgeworfen wird und unten zurückweicht. Von der Perspektive der Person im Auto sind das Fahrzeug und alles darin beruhigt: Es ist die Außenwelt, die sich mit einer unveränderlichen Geschwindigkeit in der entgegengesetzten Richtung bewegt. Da es kein Experiment gibt, das unterscheiden kann, ob es das Fahrzeug ist, das beruhigt ist oder die Außenwelt, die beruhigt ist, wie man betrachtet, sind die zwei Situationen physisch nicht zu unterscheidend. Trägheit gilt deshalb ebenso gut für die unveränderliche Geschwindigkeitsbewegung, wie es tut, um sich auszuruhen.

Das Konzept der Trägheit kann weiter verallgemeinert werden, um die Tendenz von Gegenständen zu erklären, in vielen verschiedenen Formen der unveränderlichen Bewegung, sogar diejenigen weiterzugehen, die nicht ausschließlich unveränderliche Geschwindigkeit sind. Die Rotationsträgheit des Erdballs ist, was die Beständigkeit der Länge eines Tages und der Länge eines Jahres befestigt. Albert Einstein hat den Grundsatz der Trägheit weiter erweitert, als er erklärt hat, dass das Bezugsrahmenthema der unveränderlichen Beschleunigung, wie diejenigen freies Fallen zu einem angezogen werdenden Gegenstand, zu Trägheitsbezugsrahmen physisch gleichwertig war. Das ist, warum, zum Beispiel, Astronauten Schwerelosigkeit erfahren, wenn in der Bahn des freien Falles um die Erde, und warum Newtonsche Gesetze der Bewegung leichter in solchen Umgebungen wahrnehmbar sind. Wenn ein Astronaut einen Gegenstand mit der Masse Mitte Luft neben sich legt, wird es stationär in Bezug auf den Astronauten wegen seiner Trägheit bleiben. Das ist dasselbe Ding, das vorkommen würde, wenn der Astronaut und der Gegenstand im intergalaktischen Raum ohne Nettokraft des Ernstes wären, der ihrem geteilten Bezugsrahmen folgt. Dieser Grundsatz der Gleichwertigkeit war eine der foundational Untermauerungen für die Entwicklung der allgemeinen Relativitätstheorie.

, er hat wirklich eine verschiedene Form für sein zweites Gesetz der Bewegung niedergeschrieben, die Differenzialrechnung nicht verwendet hat.]]

Das zweite Gesetz des Newtons

Eine moderne Behauptung des Zweiten Gesetzes des Newtons ist eine Vektor-Differenzialgleichung:

:

wo der Schwung des Systems ist, und das Netz (Vektorsumme) Kraft ist. Im Gleichgewicht gibt es Nullnettokraft definitionsgemäß, aber (erwogene) Kräfte können dennoch da sein. Im Gegensatz stellt das zweite Gesetz fest, dass eine unausgeglichene Kraft, die einem Gegenstand folgt, auf den Schwung des Gegenstands hinauslaufen wird, der sich mit der Zeit ändert.

Durch die Definition des Schwungs,

:

wo M die Masse ist und die Geschwindigkeit ist.

In einem System der unveränderlichen Masse erlaubt der Gebrauch der unveränderlichen Faktor-Regel in der Unterscheidung der Masse, sich außerhalb des abgeleiteten Maschinenbedieners zu bewegen, und die Gleichung wird

:

Durch das Ersetzen der Definition der Beschleunigung wird die algebraische Version des Zweiten Gesetzes des Newtons abgeleitet:

:

Es wird manchmal die "zweite berühmteste Formel in der Physik" genannt. Newton hat nie ausführlich die Formel in der reduzierten Form oben festgesetzt.

Das zweite Gesetz von Newton behauptet die direkte Proportionalität der Beschleunigung, um zu zwingen, und die umgekehrte Proportionalität der Beschleunigung zur Masse. Beschleunigungen können durch kinematische Maße definiert werden. Jedoch, während kinematics durch die Bezugsrahmenanalyse in der fortgeschrittenen Physik gut beschrieben werden, gibt es noch tiefe Fragen, die betreffs bleiben, was die richtige Definition der Masse ist. Allgemeine Relativität bietet eine Gleichwertigkeit zwischen Raum-Zeit und Masse an, aber das Ermangeln an einer zusammenhängenden Theorie des Quant-Ernstes, es ist betreffs unklar, wie, oder ob diese Verbindung auf Mikroskalen wichtig ist. Mit etwas Rechtfertigung kann das zweite Gesetz von Newton als eine quantitative Definition der Masse durch das Schreiben des Gesetzes als eine Gleichheit genommen werden; die Verhältniseinheiten der Kraft und Masse werden dann befestigt.

Der Gebrauch des Zweiten Gesetzes des Newtons als eine Definition der Kraft ist in einigen der strengeren Lehrbücher verachtet worden, weil es im Wesentlichen eine mathematische Binsenwahrheit ist. Bemerkenswerte Physiker, Philosophen und Mathematiker, die eine ausführlichere Definition des Konzepts der Kraft gesucht haben, schließen Ernst Mach, Clifford Truesdell und Walter Noll ein.

Das zweite Gesetz des Newtons kann verwendet werden, um die Kraft von Kräften zu messen. Zum Beispiel erlauben Kenntnisse der Massen von Planeten zusammen mit den Beschleunigungen ihrer Bahnen Wissenschaftlern, die Gravitationskräfte auf Planeten zu berechnen.

Das dritte Gesetz des Newtons

Das dritte Gesetz des Newtons ist ein Ergebnis, Symmetrie auf Situationen anzuwenden, wo Kräfte der Anwesenheit verschiedener Gegenstände zugeschrieben werden können. Das dritte Gesetz bedeutet, dass alle Kräfte Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Körpern, und so sind, dass es kein solches Ding wie eine Einrichtungskraft oder eine Kraft gibt, die nur einem Körper folgt. Wann auch immer ein erster Körper eine Kraft F auf einen zweiten Körper ausübt, übt der zweite Körper eine Kraft F auf den ersten Körper aus. F und F sind im Umfang und gegenüber in der Richtung gleich. Dieses Gesetz wird manchmal das Handlungsreaktionsgesetz, mit F genannt die "Handlung" und F die "Reaktion" genannt. Die Handlung und die Reaktion sind gleichzeitig:

:

Wenn, wie man betrachtet, Gegenstand 1 und Gegenstand 2 in demselben System sind, dann ist die Nettokraft auf dem System wegen der Wechselwirkungen zwischen Gegenständen 1 und 2 Null seitdem

::

Das bedeutet, dass in einem geschlossenen System von Partikeln es keine inneren Kräfte gibt, die unausgeglichen sind. D. h. die Handlungsreaktionskraft, die zwischen irgendwelchen zwei Gegenständen in einem geschlossenen System geteilt ist, wird das Zentrum der Masse des Systems nicht veranlassen sich zu beschleunigen. Der Bestandteil protestiert nur beschleunigen sich in Bezug auf einander, das System selbst bleibt unbeschleunigt. Wechselweise, wenn eine Außenkraft dem System folgt, dann wird das Zentrum der Masse eine Beschleunigung erfahren, die zum Umfang der durch die Masse des Systems geteilten Außenkraft proportional ist.

Die zweiten und Dritten Gesetze des Newtons verbindend, ist es möglich zu zeigen, dass der geradlinige Schwung eines Systems erhalten wird. Das Verwenden

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und die Integrierung in Bezug auf die Zeit, die Gleichung:

:

wird erhalten. Für ein System, das Gegenstände 1 und 2, einschließt

:

der die Bewahrung des geradlinigen Schwungs ist. Mit den ähnlichen Argumenten ist es möglich, das zu einem System einer beliebigen Zahl von Partikeln zu verallgemeinern. Das zeigt, dass Schwung zwischen konstituierenden Gegenständen wert zu sein, den Nettoschwung eines Systems nicht betreffen wird. Im Allgemeinen, so lange alle Kräfte wegen der Wechselwirkung von Gegenständen mit der Masse sind, ist es möglich, ein solches System zu definieren, dass Nettoschwung nie verloren noch gewonnen wird.

Beschreibungen

Da Kräfte als Stöße oder Ziehen wahrgenommen werden, kann das ein intuitives Verstehen zur Verfügung stellen, um Kräfte zu beschreiben. Als mit anderen physischen Konzepten (z.B Temperatur) wird das intuitive Verstehen von Kräften mit genauen betrieblichen Definitionen gemessen, die mit direkten Beobachtungen und im Vergleich zu einer Standardmaß-Skala im Einklang stehend sind. Durch das Experimentieren wird es beschlossen, dass Labormaße von Kräften mit der Begriffsdefinition der durch die Newtonische Mechanik angebotenen Kraft völlig im Einklang stehend sind.

Kräfte handeln in einer besonderen Richtung und haben Größe-Abhängigen darauf, wie stark der Stoß oder das Ziehen sind. Wegen dieser Eigenschaften werden Kräfte als "Vektor-Mengen" klassifiziert. Das bedeutet, dass Kräfte einem verschiedenen Satz von mathematischen Regeln folgen als physische Mengen, die Richtung (angezeigte Skalarmengen) nicht haben. Zum Beispiel, wenn man bestimmt, was geschieht, wenn zwei Kräfte demselben Gegenstand folgen, ist es notwendig, sowohl den Umfang als auch die Richtung von beiden Kräften zu wissen, das Ergebnis zu berechnen. Wenn beide dieser Information für jede Kraft nicht bekannt ist, ist die Situation zweideutig. Zum Beispiel, wenn Sie wissen, dass zwei Menschen dasselbe Tau mit bekannten Umfängen der Kraft anziehen, aber Sie wissen nicht, welche Richtung jede Person zieht, ist es unmöglich zu bestimmen, wie die Beschleunigung des Taues sein wird. Die zwei Menschen konnten gegen einander als im Tauziehen ziehen, oder die zwei Menschen konnten in derselben Richtung ziehen. In diesem einfachen eindimensionalen Beispiel, ohne die Richtung der Kräfte zu wissen, ist es unmöglich zu entscheiden, ob die Nettokraft das Ergebnis ist, die zwei Kraft-Umfänge hinzuzufügen oder ein vom anderen Abstriche zu machen. Das Verbinden von Kräften mit Vektoren vermeidet solche Probleme.

Historisch wurden Kräfte zuerst in Bedingungen des statischen Gleichgewichts quantitativ untersucht, wo mehrere Kräfte einander annulliert haben. Solche Experimente demonstrieren die entscheidenden Eigenschaften, die Kräfte zusätzliche Vektor-Mengen sind: Sie haben Umfang und Richtung. Wenn zwei Kräfte einer Punkt-Partikel, der resultierenden Kraft folgen, das Endergebnis (hat auch die Nettokraft genannt), kann durch den folgenden die Parallelogramm-Regel der Vektor-Hinzufügung bestimmt werden: Die Hinzufügung von zwei von Seiten eines Parallelogramms vertretenen Vektoren, gibt einen gleichwertigen resultierenden Vektoren, der im Umfang und der Richtung zum transversal des Parallelogramms gleich ist. Der Umfang des Endergebnisses ändert sich vom Unterschied der Umfänge der zwei Kräfte zu ihrer Summe abhängig vom Winkel zwischen ihren Linien der Handlung. Jedoch, wenn die Kräfte einem verlängerten Körper folgen, müssen ihre jeweiligen Linien der Anwendung auch angegeben werden, um für ihre Effekten auf die Bewegung des Körpers verantwortlich zu sein.

Diagramme des freien Körpers können als eine günstige Weise verwendet werden, Kräfte nachzugehen, die einem System folgen. Ideal werden diese Diagramme mit den Winkeln und Verhältnisumfängen der bewahrten Kraft-Vektoren gezogen, so dass grafische Vektor-Hinzufügung getan werden kann, um die Nettokraft zu bestimmen.

Sowie hinzugefügt zu werden, können Kräfte auch in unabhängige Bestandteile rechtwinklig zu einander aufgelöst werden. Ein horizontales Kraft-Hinweisen nach Nordosten kann deshalb in zwei Kräfte, einen hinweisenden Norden und einen hinweisenden Osten gespalten werden. Das Summieren dieser Teilkräfte mit der Vektor-Hinzufügung gibt die ursprüngliche Kraft nach. Auflösung von Kraft-Vektoren in Bestandteile von einer Reihe von Basisvektoren ist häufig eine mathematischer saubere Weise, Kräfte zu beschreiben, als das Verwenden von Umfängen und Richtungen. Das ist, weil, für orthogonale Bestandteile, die Bestandteile der Vektorsumme durch die Skalarhinzufügung der Bestandteile der individuellen Vektoren einzigartig bestimmt werden. Orthogonale Bestandteile sind von einander unabhängig, weil Kräfte, die an neunzig Graden zu einander handeln, keine Wirkung auf den Umfang oder die Richtung vom anderen haben. Auswahl einer Reihe orthogonaler Basisvektoren wird häufig durch das Betrachten getan, welcher Satz von Basisvektoren die Mathematik am günstigsten machen wird. Wenn sie einen Basisvektoren wählt, der in derselben Richtung ist wie, ist eine der Kräfte wünschenswert, da diese Kraft dann nur einen Nichtnullbestandteil haben würde. Orthogonale Kraft-Vektoren können mit dem dritten Bestandteil dreidimensional sein, der rechtwinklig zu den anderen zwei ist.

Gleichgewicht

Gleichgewicht kommt vor, wenn die resultierende Kraft, die einer Punkt-Partikel folgt, Null ist (d. h. die Vektorsumme aller Kräfte ist Null). Wenn, sich mit einem verlängerten Körper befassend, es auch notwendig ist, dass das Nettodrehmoment darin 0 ist.

Es gibt zwei Arten des Gleichgewichts: statisches Gleichgewicht und dynamisches Gleichgewicht.

Statisches Gleichgewicht

Statisches Gleichgewicht wurde kurz vor der Erfindung der klassischen Mechanik verstanden. Gegenstände, die beruhigt sind, haben Nullnettokraft, die ihnen folgt.

Der einfachste Fall des statischen Gleichgewichts kommt vor, wenn zwei Kräfte im Umfang, aber gegenüber in der Richtung gleich sind. Zum Beispiel wird ein Gegenstand auf einer Niveau-Oberfläche (angezogen) nach unten zum Zentrum der Erde durch die Kraft des Ernstes gezogen. Zur gleichen Zeit widersetzen sich Oberflächenkräfte die Kraft nach unten mit der gleichen nach oben gerichteten Kraft (hat die normale Kraft genannt). Die Situation ist eine der Nullnettokraft und keiner Beschleunigung.

Das Stoßen gegen einen Gegenstand auf einer Reibungsoberfläche kann auf eine Situation hinauslaufen, wohin sich der Gegenstand nicht bewegt, weil der angewandten Kraft durch die statische Reibung entgegengesetzt wird, die zwischen dem Gegenstand und der Tabellenoberfläche erzeugt ist. Für eine Situation ohne Bewegung erwägt die statische Reibungskraft genau die angewandte Kraft, die auf keine Beschleunigung hinausläuft. Die statischen Reibungszunahmen oder Abnahmen als Antwort auf die angewandte Kraft bis zu einer oberen Grenze, die durch die Eigenschaften des Kontakts zwischen der Oberfläche und dem Gegenstand bestimmt ist.

Ein statisches Gleichgewicht zwischen zwei Kräften ist die üblichste Weise, Kräfte, mit einfachen Geräten wie Waagen und Federwaagen zu messen. Zum Beispiel erfährt ein auf einer vertikalen Frühlingsskala aufgehobener Gegenstand die Kraft des Ernstes, der dem Gegenstand folgt, der durch eine durch die "Frühlingsreaktionskraft angewandte Kraft" erwogen ist, die dem Gewicht des Gegenstands gleichkommt. Mit solchen Werkzeugen wurden einige quantitative Kraft-Gesetze entdeckt: Dass die Kraft des Ernstes zum Volumen für Gegenstände der unveränderlichen Dichte (weit ausgenutzt seit Millennien proportional ist, um Standardgewichte zu definieren); der Grundsatz von Archimedes für die Ausgelassenheit; die Analyse von Archimedes des Hebels; das Gesetz von Boyle für den Gasdruck; und das Gesetz von Hooke seit den Frühlingen. Diese wurden alle formuliert und experimentell nachgeprüft, bevor Isaac Newton seine Drei Gesetze der Bewegung erklärt hat.

Dynamisches Gleichgewicht

Dynamisches Gleichgewicht wurde zuerst von Galileo beschrieben, der bemerkt hat, dass bestimmten Annahmen der Aristotelischen Physik durch Beobachtungen und Logik widersprochen wurde. Galileo hat begriffen, dass einfache Geschwindigkeitshinzufügung fordert, dass das Konzept eines "absoluten Rest-Rahmens" nicht bestanden hat. Galileo hat beschlossen, dass die Bewegung in einer unveränderlichen Geschwindigkeit zum Rest völlig gleichwertig war. Das war gegen Aristoteles Begriff eines "natürlichen Staates" des Rests, der mit der Masse protestiert, natürlich hat sich genähert. Einfache Experimente haben gezeigt, dass das Verstehen von Galileo der Gleichwertigkeit der unveränderlichen Geschwindigkeit und des Rests richtig war. Zum Beispiel, wenn ein Seemann eine Kanonenkugel vom Nest der Krähe eines Schiffs fallen ließe, das sich an einer unveränderlichen Geschwindigkeit bewegt, würde Aristotelische Physik den Kanonenkugel-Fall gerade unten haben, während sich das Schiff darunter bewegt hat. So, in einem Aristotelischen Weltall, würde die fallende Kanonenkugel hinter dem Fuß des Masts eines bewegenden Schiffs landen. Jedoch, wenn dieses Experiment wirklich durchgeführt wird, fällt die Kanonenkugel immer am Fuß des Masts, als ob die Kanonenkugel weiß, um mit dem Schiff trotz des trennet davon zu reisen. Da es keine horizontale Vorwärtskraft gibt, die an die Kanonenkugel wird anwendet, als sie fällt, besteht der einzige verlassene Beschluss darin, dass die Kanonenkugel fortsetzt, sich mit derselben Geschwindigkeit wie das Boot zu bewegen, wie sie fällt. So ist keine Kraft erforderlich, die Kanonenkugel zu behalten, die sich an der unveränderlichen Vorwärtsgeschwindigkeit bewegt.

Außerdem muss jeder Gegenstand, der an einer unveränderlichen Geschwindigkeit reist, der Nullnettokraft (resultierende Kraft) unterworfen sein. Das ist die Definition des dynamischen Gleichgewichts: Wenn alle Kräfte auf einem Gegenstand-Gleichgewicht, aber es sich noch an einer unveränderlichen Geschwindigkeit bewegt.

Ein einfacher Fall des dynamischen Gleichgewichts kommt in der unveränderlichen Geschwindigkeitsbewegung über eine Oberfläche mit der kinetischen Reibung vor. In solch einer Situation wird eine Kraft in der Richtung auf die Bewegung angewandt, während die kinetische Reibungskraft genau der angewandten Kraft entgegensetzt. Das läuft auf Nullnettokraft hinaus, aber da der Gegenstand mit einer Nichtnullgeschwindigkeit angefangen hat, setzt es fort, sich mit einer Nichtnullgeschwindigkeit zu bewegen. Aristoteles hat diese Bewegung missdeutet, die als durch die angewandte Kraft wird verursacht. Jedoch, wenn kinetische Reibung in Betracht gezogen wird, ist es klar, dass es keine Nettokraft gibt, die unveränderliche Geschwindigkeitsbewegung verursacht.

Spezielle Relativität

In der speziellen Relativitätstheorie sind Masse und Energie gleichwertig (wie durch das Rechnen der Arbeit gesehen werden kann, die erforderlich ist, einen Gegenstand zu beschleunigen). Wenn eine Geschwindigkeit eines Gegenstands, so seine Energie und folglich seine Massenentsprechung (Trägheit) zunimmt. Es verlangt so, dass mehr Kraft es derselbe Betrag beschleunigt, als es an einer niedrigeren Geschwindigkeit getan hat. Das zweite Gesetz des Newtons

:

bleibt gültig, weil es eine mathematische Definition ist. Aber um erhalten zu werden, muss relativistischer Schwung als wiederdefiniert werden:

:wo

: ist die Geschwindigkeit und

der

: ist die Geschwindigkeit des Lichtes

: ist die Rest-Masse.

Die relativistische Ausdruck-Verbindungskraft und Beschleunigung für eine Partikel mit der unveränderlichen Nichtnullrest-Masse, die sich in der Richtung bewegt, sind:

:::

wo der Faktor von Lorentz

:

In der frühen Geschichte der Relativität, der Ausdrücke und wurden Längs- und Quermasse genannt. Relativistische Kraft erzeugt keine unveränderliche Beschleunigung, aber eine jemals abnehmende Beschleunigung, weil sich der Gegenstand der Geschwindigkeit des Lichtes nähert. Bemerken Sie, dass das für einen Gegenstand mit einer Nichtnullrest-Masse mit der Geschwindigkeit des Lichtes unbestimmt ist, und die Theorie keine Vorhersage mit dieser Geschwindigkeit nachgibt.

Man kann jedoch die Form von wieder herstellen

:

für den Gebrauch in der Relativität durch den Gebrauch von vier Vektoren. Diese Beziehung ist in der Relativität richtig, wenn der vier-Kräfte-ist, die invariant Masse ist, und der vier-Beschleunigungen-ist.

Diagramme von Feynman

In der modernen Partikel-Physik werden Kräfte und die Beschleunigung von Partikeln als ein mathematisches Nebenprodukt des Austausches des Schwung tragenden Maßes bosons erklärt. Mit der Entwicklung der Quant-Feldtheorie und allgemeinen Relativität wurde es begriffen, dass Kraft ein überflüssiges Konzept ist, das aus der Bewahrung des Schwungs (4-Schwünge-in der Relativität und dem Schwung von virtuellen Partikeln in der Quant-Elektrodynamik) entsteht. Die Bewahrung des Schwungs, kann aus Gleichartigkeit (=shift Symmetrie) des Raums direkt abgeleitet werden und wird gewöhnlich so grundsätzlicher betrachtet als das Konzept einer Kraft. So, wie man betrachtet, sind die zurzeit bekannten grundsätzlichen Kräfte genauer "grundsätzliche Wechselwirkungen". Wenn Partikel A ausstrahlt (schafft) oder absorbiert (vernichtet) virtuelle Partikel B, eine Schwung-Bewahrung läuft auf Rückstoß der Partikel Ein Bilden-Eindruck der Repulsion oder Anziehungskraft zwischen Partikeln Ein' Austauschen durch B hinaus. Diese Beschreibung gilt für alle Kräfte, die aus grundsätzlichen Wechselwirkungen entstehen. Während hoch entwickelte mathematische Beschreibungen erforderlich sind, um, im vollen Detail, dem genauen Ergebnis solcher Wechselwirkungen vorauszusagen, gibt es eine begrifflich einfache Weise, solche Wechselwirkungen durch den Gebrauch von Diagrammen von Feynman zu beschreiben. In einem Diagramm von Feynman wird jede Sache-Partikel als eine Gerade vertreten (sieh Weltlinie), im Laufe der Zeit reisend, die normalerweise oder nach rechts im Diagramm zunimmt. Sache und Antimaterie-Partikeln sind abgesehen von ihrer Richtung der Fortpflanzung durch das Diagramm von Feynman identisch. Weltlinien von Partikeln schneiden sich an Wechselwirkungsscheitelpunkten, und das Diagramm von Feynman vertritt jede Kraft, die aus einer Wechselwirkung als entsteht, am Scheitelpunkt mit einer verbundenen sofortigen Änderung in der Richtung auf die Partikel-Weltlinien vorkommend. Maß bosons wird weg vom Scheitelpunkt als wellige Linien (ähnlich Wellen) und im Fall vom virtuellen Partikel-Austausch ausgestrahlt, wird an einem angrenzenden Scheitelpunkt absorbiert.

Das Dienstprogramm von Diagrammen von Feynman ist, dass andere Typen von physischen Phänomenen, die ein Teil des allgemeinen Bildes von grundsätzlichen Wechselwirkungen sind, aber von Kräften begrifflich getrennt sind, auch mit denselben Regeln beschrieben werden können. Zum Beispiel kann ein Diagramm von Feynman im kurz gefassten Detail beschreiben, wie ein Neutron in ein Elektron, Proton und Neutrino verfällt, hat eine Wechselwirkung durch dasselbe Maß boson vermittelt, der für die schwache Kernkraft verantwortlich ist.

Grundsätzliche Modelle

Alle Kräfte im Weltall basieren auf vier grundsätzlichen Wechselwirkungen. Die starken und schwachen Kräfte handeln nur in sehr kurzen Entfernungen, und sind für die Wechselwirkungen zwischen subatomaren Partikeln einschließlich Nukleonen und zusammengesetzter Kerne verantwortlich. Die elektromagnetische Kraft handelt zwischen elektrischen Anklagen und den Gravitationskraft-Taten zwischen Massen. Alle anderen Kräfte basieren auf der Existenz der vier grundsätzlichen Wechselwirkungen. Zum Beispiel ist Reibung eine Manifestation der elektromagnetischen Kraft, die zwischen den Atomen von zwei Oberflächen und dem Pauli Ausschluss-Grundsatz handelt, der Atomen nicht erlaubt, einander durchzuführen. Die Kräfte in den Frühlingen, die durch das Gesetz von Hooke modelliert sind, sind auch das Ergebnis von elektromagnetischen Kräften und dem Ausschluss-Grundsatz, der zusammen handelt, um den Gegenstand in seine Gleichgewicht-Position zurückzugeben. Zentrifugalkräfte sind Beschleunigungskräfte, die einfach aus der Beschleunigung von rotierenden Bezugssystemen entstehen.

Die Entwicklung von grundsätzlichen Theorien für Kräfte ist entlang den Linien der Vereinigung von ungleichen Ideen weitergegangen. Zum Beispiel hat Isaac Newton die Kraft vereinigt, die für Gegenstände verantwortlich ist, die an der Oberfläche der Erde mit der Kraft fallen, die für die Bahnen der himmlischen Mechanik in seiner universalen Gravitationstheorie verantwortlich ist. Michael Faraday und James Clerk Maxwell haben demonstriert, dass elektrische und magnetische Kräfte durch eine konsequente Theorie des Elektromagnetismus vereinigt wurden. Im 20. Jahrhundert hat die Entwicklung der Quant-Mechanik zu einem modernen Verstehen geführt, dass die ersten drei grundsätzlichen Kräfte (alle außer dem Ernst) Manifestationen der Sache (fermions) aufeinander wirkend durch das Austauschen virtueller Partikeln genannt Maß bosons sind. Dieses Standardmodell der Partikel-Physik postuliert eine Ähnlichkeit zwischen den Kräften und geführten Wissenschaftlern, um die Vereinigung der schwachen und elektromagnetischen Kräfte in der electroweak durch die Beobachtung nachher bestätigten Theorie vorauszusagen. Die ganze Formulierung des Standardmodells sagt einen bis jetzt unbemerkten Mechanismus von Higgs voraus, aber Beobachtungen wie Neutrino-Schwingungen zeigen an, dass das Standardmodell unvollständig ist. Eine großartige vereinigte Theorie, die Kombination der electroweak Wechselwirkung mit der starken Kraft berücksichtigend, wird in Aussicht gestellt, weil eine Möglichkeit mit Kandidat-Theorien wie Supersymmetrie vorgehabt hat, einige der hervorragenden ungelösten Probleme in der Physik anzupassen. Physiker versuchen noch, konsequente Vereinigungsmodelle zu entwickeln, die alle vier grundsätzlichen Wechselwirkungen in eine Theorie von allem verbinden würden. Einstein hat versucht und hat an diesem Versuch gescheitert, aber zurzeit ist die populärste Annäherung an das Antworten auf diese Frage Schnur-Theorie.

Ernst

Was wir jetzt nennen, wurde Ernst als eine universale Kraft bis zur Arbeit von Isaac Newton nicht identifiziert. Vor dem Newton, wie man verstand, ist die Tendenz für Gegenstände, zur Erde zu fallen, mit den Bewegungen von himmlischen Gegenständen nicht verbunden gewesen. Galileo war im Beschreiben der Eigenschaften von fallenden Gegenständen instrumental, indem er beschlossen hat, dass die Beschleunigung jedes Gegenstands im freien Fall unveränderlich und der Masse des Gegenstands unabhängig war. Heute wird diese Beschleunigung wegen des Ernstes zur Oberfläche der Erde gewöhnlich als benannt und hat einen Umfang von ungefähr 9.81 Metern pro Sekunde quadratisch gemacht (dieses Maß wird vom Meeresspiegel genommen und kann sich abhängig von der Position ändern), und Punkte zum Zentrum der Erde. Diese Beobachtung bedeutet, dass die Kraft des Ernstes auf einem Gegenstand an der Oberfläche der Erde zur Masse des Gegenstands direkt proportional ist. So wird ein Gegenstand, der eine Masse dessen hat, eine Kraft erfahren:

:

Im freien Fall ist diese Kraft unbehindert, und deshalb ist die Nettokraft auf dem Gegenstand sein Gewicht. Für Gegenstände nicht im freien Fall wird der Kraft des Ernstes durch die Reaktionen ihrer Unterstützungen entgegengesetzt. Zum Beispiel erfährt ein Person-Stehen auf dem Boden Nullnettokraft, da sein Gewicht durch eine normale durch den Boden ausgeübte Kraft erwogen wird.

Der Beitrag des Newtons zur Gravitationstheorie sollte die Bewegungen von Gestirnen vereinigen, die Aristoteles angenommen hatte, waren in einem natürlichen Staat der unveränderlichen Bewegung mit der fallenden auf der Erde beobachteten Bewegung. Er hat ein Gesetz des Ernstes vorgeschlagen, der für die himmlischen Bewegungen verantwortlich sein konnte, die frühere Verwenden-Gesetze von Kepler der Planetarischen Bewegung beschrieben worden waren.

Newton ist gekommen, um zu begreifen, dass die Effekten des Ernstes unterschiedlich in größeren Entfernungen beobachtet werden könnten. Insbesondere Newton hat beschlossen, dass die Beschleunigung des Monds um die Erde derselben Kraft des Ernstes wenn die Beschleunigung wegen des als ein umgekehrtes Quadratgesetz verminderten Ernstes zugeschrieben werden konnte. Weiter hat Newton begriffen, dass die Beschleunigung wegen des Ernstes zur Masse des Anziehen-Körpers proportional ist. Das Kombinieren dieser Ideen gibt eine Formel, die die Masse und der Radius der Erde zur Gravitationsbeschleunigung verbindet:

:

\qquad \text {so} \quad

P \, = \, \frac {\\Text {d} W\{\\Text {d }\\vec {x} }\\, \cdot \, \frac {\\Text {d }\\vec {x}} {\\Text {d} t }\\, = \, \vec {F }\\, \cdot \, \vec {v},

</Mathematik>

mit der Geschwindigkeit.

Potenzielle Energie

Statt einer Kraft häufig kann das mathematisch zusammenhängende Konzept eines potenziellen Energiefeldes für die Bequemlichkeit verwendet werden. Zum Beispiel kann die Gravitationskraft, die nach einem Gegenstand handelt, als die Handlung des Schwerefeldes gesehen werden, das an der Position des Gegenstands da ist. Mathematisch die Definition der Energie (über die Definition der Arbeit) neu formulierend, wird ein potenzielles Skalarfeld als dieses Feld definiert, dessen Anstieg gleich ist und gegenüber der an jedem Punkt erzeugten Kraft:

:

Kräfte können als Konservativer oder Nichtkonservativer klassifiziert werden. Konservative Kräfte sind zum Anstieg eines Potenzials gleichwertig, während nichtkonservative Kräfte nicht sind.

Konservative Kräfte

Eine konservative Kraft, die einem geschlossenen System folgt, hat eine verbundene mechanische Arbeit, die Energie erlaubt, sich nur zwischen kinetischen oder potenziellen Formen umzuwandeln. Das bedeutet, dass für ein geschlossenes System die mechanische Nettoenergie erhalten wird, wann auch immer eine konservative Kraft dem System folgt. Die Kraft ist deshalb direkt mit dem Unterschied in der potenziellen Energie zwischen zwei verschiedenen Positionen im Raum verbunden und kann betrachtet werden, ein Kunsterzeugnis des potenziellen Feldes ebenso zu sein, dass, wie man betrachten kann, die Richtung und der Betrag eines Flusses von Wasser ein Kunsterzeugnis der Höhenlinienkarte der Erhebung eines Gebiets sind.

Konservative Kräfte schließen Ernst, die elektromagnetische Kraft und die Frühlingskraft ein. Jede dieser Kräfte hat Modelle, die von einer Position abhängig sind, die häufig als ein radialer Vektor gegeben ist, der von kugelförmig symmetrischen Potenzialen ausgeht. Beispiele davon folgen:

Für den Ernst:

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wo die Gravitationskonstante ist, und die Masse des Gegenstands n ist.

Für elektrostatische Kräfte:

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wo elektrischer permittivity des freien Raums ist, und die elektrische Anklage des Gegenstands n ist.

Für Frühlingskräfte:

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wo die Frühlingskonstante ist.

Nichtkonservative Kräfte

Für bestimmte physische Drehbücher ist es zu Musterkräften als seiend wegen des Anstiegs von Potenzialen unmöglich. Das ist häufig wegen makrophysischer Rücksichten, die Kräfte als entstehend aus einem makroskopischen statistischen Durchschnitt von Mikrostaaten nachgeben. Zum Beispiel wird Reibung durch die Anstiege von zahlreichen elektrostatischen Potenzialen zwischen den Atomen verursacht, aber erscheint als ein Kraft-Modell, das jedes Makroskala-Positionsvektoren unabhängig ist. Nichtkonservative Kräfte außer der Reibung schließen andere Kontakt-Kräfte, Spannung, Kompression und Schinderei ein. Jedoch, für jede genug detaillierte Beschreibung, sind alle diese Kräfte die Ergebnisse von konservativen, da jede dieser makroskopischen Kräfte die Nettoergebnisse der Anstiege von mikroskopischen Potenzialen ist.

Die Verbindung zwischen makroskopischen nichtkonservativen Kräften und mikroskopischen konservativen Kräften wird durch die ausführliche Behandlung mit der statistischen Mechanik beschrieben. In makroskopischen geschlossenen Systemen handeln nichtkonservative Kräfte, um die inneren Energien des Systems zu ändern, und werden häufig mit der Übertragung der Hitze vereinigt. Gemäß dem Zweiten Gesetz der Thermodynamik laufen nichtkonservative Kräfte notwendigerweise auf Energietransformationen innerhalb von geschlossenen Systemen vom bestellten bis zufälligere Bedingungen hinaus, als Wärmegewicht zunimmt.

Einheiten des Maßes

Die SI-Einheit der Kraft ist das Newton (Symbol N), der die Kraft ist, die erforderlich ist, eine Ein-Kilogramm-Masse an einer Rate von einem Meter pro Sekunde zu beschleunigen, quadratisch gemacht, oder Kg · M · s. Die entsprechende CGS Einheit ist das Dyn, die Kraft, die erforderlich ist, eine Ein-Gramm-Masse durch einen Zentimeter pro Sekunde zu beschleunigen, quadratisch gemacht, oder g · Cm · s. Ein Newton ist so 100,000 Dyn gleich.

Das Gravitationsfußpfund die zweite englische Einheit der Kraft ist die Pfund-Kraft (lbf), definiert als die Kraft, die durch den Ernst auf eine Pfund-Masse im Standardschwerefeld von 9.80665 M ausgeübt ist · s. Die Pfund-Kraft stellt eine alternative Einheit der Masse zur Verfügung: Eine Nacktschnecke ist die Masse, die sich durch pro Sekunde quadratisch gemachten wenn gefolgten einen Fuß durch eine Pfund-Kraft beschleunigen wird.

Eine alternative Einheit der Kraft in einem verschiedenen Fußpfund das zweite System, das absolute fps System, ist der poundal, definiert als die Kraft, die erforderlich ist, eine Ein-Pfund-Masse an einer Rate von pro Sekunde quadratisch gemachtem einem Fuß zu beschleunigen. Die Einheiten der Nacktschnecke und poundal werden entworfen, um eine Konstante der Proportionalität im Zweiten Gesetz des Newtons zu vermeiden.

Die Pfund-Kraft hat eine metrische Kopie, die weniger allgemein verwendet ist als das Newton: Die Kilogramm-Kraft (kgf) (manchmal kilopond), ist die Kraft, die durch den Standardernst auf ein Kilogramm der Masse ausgeübt ist. Die Kilogramm-Kraft führt zu einem Stellvertreter, aber selten verwendeter Einheit der Masse: Die metrische Nacktschnecke (manchmal Becher oder hyl) ist, dass Masse, die sich an 1 M beschleunigt · s, wenn unterworfen, einer Kraft von 1 kgf. Die Kilogramm-Kraft ist nicht ein Teil des modernen SI-Systems, und wird allgemein missbilligt; jedoch sieht es noch Gebrauch zu einigen Zwecken als das Ausdrücken des Strahlstoßes, Rad hat Spannung, Drehmomentschlüssel-Einstellungen und Motorproduktionsdrehmoment gesprochen. Andere geheimnisvolle Einheiten der Kraft schließen den sthène ein, der zu 1000 N und dem Schläfchen gleichwertig ist, das zu 1000 lbf gleichwertig ist.

Siehe auch

• Nichtlineares System

Referenzen

Links

• Videovortrag auf den drei Gesetzen von Newton von Walter Lewin von MIT OpenCourseWare
• Eine javanische Simulation auf der Vektor-Hinzufügung von Kräften