Δύναμη

    Για άλλες χρήσεις, δείτε: δύναμη (αποσαφήνιση).

Δυνάμεις ασκούνται τόσο στην κατάσταση της ηρεμίας των σωμάτων, όπως επίσης και στην κατάσταση της κίνησης. Στην Κλασική Μηχανική δύναμη είναι η αιτία που προκαλεί κάθε μεταβολή της κίνησης ή της γεωμετρίας των σωμάτων.

Οι κάθετες στην κίνηση (την ταχύτητα αδράνειας) προβολές δυνάμεων αλλάζουν μόνο την κατεύθυνση της ταχύτητας

Οι προβολές δυνάμεων που είναι συνευθειακές με την ταχύτητα αδράνειας αλλάζουν μόνο το μέτρο της ταχύτητας

Είναι η αιτία μεταβολής της κινητικής κατάστασης ελεύθερων σωμάτων, επιταχύνοντας ή επιβραδύνοντάς τα. Για σώματα/τμήματα που παρουσιάζουν δυνάμεις τριβής/αντιδράσεις στήριξης, ανάγουμε (αρχικά) τις δυνάμεις σε αυτά τα σημεία, και δύναμη είναι η αιτία που προκαλεί κίνηση των σωμάτων ή κινητικότητα σχετικά με τα σημεία στήριξης/σύνδεσης, ή γενικότερα εντατική κατάσταση, ή ακόμα και παραμόρφωση, αυτών των σωμάτων.

Με βάση το Διεθνές Σύστημα SI την Δύναμη την ορίζουμε από τον Δεύτερο νόμο κίνησης του Νεύτωνα και μετριέται σε "newton" (νιούτον). Από τον Νόμο Κίνησης ορίζεται Ν = Kg*m/sec²

Το Πεδίο βαρύτητας της Γης δίνει Επιτάχυνση βαρύτητας g(0°) = 9.780 m/sec² στα σώματα που βρίσκονται σε γεωγραφικό πλάτος 0° (στον Ισημερινό), και Επιτάχυνση βαρύτητας g(90°) = 9.832 m/sec² στα σώματα που βρίσκονται σε γεωγραφικό πλάτος 90° (στους Πόλους). 1newton = 1Kg *1m/sec² =$\tfrac{1Kg}{9.780}$ *9.780m/sec² =0.102Kg*g(0°) και άρα μπορούμε να το εξισώσουμε με Δύναμη βαρύτητας σε σώμα 100gr. Προς τιμή του Νεύτωνα 1 νιούτον θεωρείται ίσο με το βάρος ενός μήλου.

Η δύναμη είναι σχετικά αόρατη με αισθητά όμως τ' αποτελέσματά της. Χρησιμοποιήθηκε από τον Αρχιμήδη σε Μηχανές (Μηχανισμούς που μεταβιβάζουν ή μετατρέπουν Φορτία Εισόδου σε Φορτία Εξόδου), όμως η θεωρητική της θεμελίωση και η μαθηματική της περιγραφή έγινε από τον Νεύτωνα τον 17ο αιώνα (1687 δημοσίευση στα λατινικά, 1729 στα αγγλικά) που έκανε χρήση των Απειροστών (Αρχιμήδης/Εύδοξος) και κατάρριψε την θεωρία Δύναμης του Αριστοτέλη (θεωρούσε ότι έπρεπε να υπάρχει δύναμη γι αυτό που ο Νεύτωνας ονόμασε αδράνεια, και ότι ο ουρανός αποτελούνταν από το 5ο στοιχείο τον αιθέρα) με την Ουράνια Μηχανική (Μαθηματικές Αρχές της Φυσικής Φιλοσοφίας) που περιέχει τους νόμους της κίνησης που φέρουν μέχρι και σήμερα το όνομά του.

Ένα σώμα μπορεί να δεχθεί ταυτόχρονα πολλές δυνάμεις το αποτέλεσμα των οποίων θα είναι η συνισταμένη αυτών. Όταν οι δυνάμεις αυτές εξουδετερώνονται μεταξύ τους τότε λέγεται ότι το σώμα βρίσκεται σε κατάσταση ισορροπίας.

Αναπαράσταση

Παράλληλες Δυνάμεις σε Απόλυτα Στερεό Σώμα

Σχεδιάζουμε ένα Διάγραμμα Ελευθέρου Σώματος για ένα μηχανικό σύστημα σωμάτων (ή ένα σώμα, ή ένα τμήμα σώματος) περιβάλλοντας το με μία νοητή επιφάνεια και οι εξωτερικές Κατανεμημένες Δυνάμεις όπως και οι Μοναχικές ή Συγκεντρωμένες Δυνάμεις παριστάνονται γραφικά με ένα διάνυσμα.

Περιγραφές

Ο Δεύτερος νόμος του Νεύτωνα, μας λέει ότι η συνολική δύναμη που ασκείται σε ένα σώμα ισούται με τη μάζα του σώματος επί την επιτάχυνση του:

$\bold{F}=m\bold{a} \,$

Από την παραπάνω σχέση, και από τον ορισμό της επιτάχυνσης

$\bold{a} = \frac{d\bold{v}}{dt}$

συνάγεται πως η μεταβολή της ορμής ενός σώματος με το χρόνο οφείλεται σε κάποια δύναμη:

$\bold{F}=\frac{d\bold{p}}{dt} \,$

H συνισταμένη δύο δυνάμεων ισούται με μια τρίτη δύναμη που φέρει τα ίδια αποτελέσματα με τις άλλες δύο και σύμφωνα με τον νόμο των συνημιτόνων υπολογίζεται από τη σχέση

$F^2=F_1^2+F_2^2+2F_1F_2\cos{\phi} \,$

όπου F₁, F₂ οι δυνάμεις, και φ η μεταξύ τους γωνία.

H Δύναμη στην ειδική σχετικότητα

Στην ειδική θεωρία της σχετικότητας, η ενέργεια και η μάζα είναι ισοδύναμες. Όταν η ταχύτητα ενός σώματος αυξάνεται, αυξάνεται και η ενέργειά του και κατά συνέπεια και η μάζα του. Έτσι, χρειάζεται όλο και μεγαλύτερη δύναμη για να επιταχυνθεί ένα σώμα, καθώς αυξάνεται η ταχύτητά του. Ο ορισμός F=dp/dt ισχύει ακόμη, μόνο που χρησιμοποιείται η σχετικιστική μορφή της ορμής:

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

όπου v είναι η ταχύτητα του σώματος και c η ταχύτητα του φωτός.

Είδη δυνάμεων

Οι δυνάμεις διακρίνονται κυρίως σε δυνάμεις εξ επαφής (όπως π.χ. ρυμούλκιση πλοίου) και σε δυνάμεις εξ επιδράσεως, γνωστότερη τέτοια δύναμη είναι αυτή με την οποία η Γη έλκει τα διάφορα σώματα όπου και ονομάζεται βάρος.
Γενικότερα όμως υπάρχει μεγάλο πλήθος δυνάμεων στη φύση: η βαρύτητα, οι ηλεκτρικές και οι μαγνητικές δυνάμεις, η τριβή, η τάση είναι μόνο μερικές από αυτές. Όμως, μόνο τέσσερις δυνάμεις θεωρούνται σήμερα θεμελιώδεις:

• Η ισχυρή δύναμη
• Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη
• Η ασθενής δύναμη
• Η βαρυτική δύναμη

Όλες οι υπόλοιπες δυνάμεις δε θεωρούνται θεμελιώδεις και μπορούν να οριστούν και να αναχθούν στις παραπάνω τέσσερις δυνάμεις.

Δύναμη και δυναμικό

Αντί της δύναμης, χρησιμοποιείται συχνά η έννοια του δυναμικού, η οποία διευκολύνει την περιγραφή του προβλήματος. Για παράδειγμα, η βαρυτική δύναμη που ασκείται σε ένα σώμα, μπορεί να περιγραφεί και ως το αποτέλεσμα του βαρυτικού πεδίου που βρίσκεται στο σημείο όπου βρίσκεται το σώμα. Ανάμεσα στη δύναμη και στο δυναμικό U(r) ισχύει η σχέση:

$\bold{F}=-\bold{\nabla} U$

Οι δυνάμεις μπορούν να χωριστούν σε διατηρητικές (ή συντηρητικές) και μη διατηρητικές. Οι διατηρητικές δυνάμεις είναι αυτές που είναι ισοδύναμες με την κλίση ενός δυναμικού, όπως είναι η βαρύτητα και η ηλεκτρομαγνητική δύναμη. Παράδειγμα μη διατηρητικής δύναμης είναι η τριβή.

Δείτε επίσης

• Φυγόκεντρος δύναμη, Κεντρομόλος δύναμη
• Βαρύτητα
• Άνωση
• Πίεση
• Δυναμόμετρο
• Ροπή
• Τεχνική μηχανική, Στατική, Φορέας, Φορτίο, Εφελκυσμός, Θλίψη, Διάτμηση, Κάμψη, Τάση