Δυο σημαντικές δυνάμεις στον κόσμο

Βαρυτική δύναμη.

Εκτελούμε το εξής πείραμα: Από κάποιο ύψος αφήνουμε να πέσει ένα κέρμα. Παρατηρούμε ότι θα πέσει στη Γη με διαρκώς αυξανόμενη ταχύτητα. Εκτελούμε και ένα άλλο πείραμα: ρίχνουμε ένα κέρμα προς τα πάνω. Παρατηρούμε ότι η ταχύτητα του κέρματος θα μειώνεται έως φτάσει το μέγιστο ύψος και από εκεί θα πέσει, με ταχύτητα διαρκώς αυξανόμενη ταχύτητα. Και στις δυο αυτές περιπτώσεις κατά την κίνηση του κέρματος έχουμε μεταβολή της κινητικής κατάστασης του.

Σύμφωνα με τον Νεύτωνα, κάποιο αίτιο θα προκαλεί αυτή τη μεταβολή. Αυτό το αίτιο είναι η δύναμη βάρους που ασκεί η Γη στο κέρμα και γενικότερα σε κάθε σώμα. Την έννοια του βάρους τη συνέλαβε πρώτος ο Νεύτωνας, που όπως λέει η παράδοση όταν, είδε ένα μήλο να πέφτει κάτω καθώς καθόταν κάτω από μια μηλιά.

Η δύναμη του βάρους επεκτείνεται σε σώματα που βρίσκονται πέρα από την επιφάνεια της Γης, μέχρι και στα πιο απομακρυσμένα ουράνια σώματα. Έτσι ο Νεύτωνας διαπίστωσε ότι η Σελήνη περιστρέφεται σχεδόν κυκλικά γύρω από τη Γη, λόγω της βαρυτικής δύναμης που δέχεται από τη Γη. Γενικότερα οι πλανήτες στο ηλιακό μας σύστημα, περιστρέφονται γύρω από τον Ήλιο, λόγω της βαρυτικής δύναμης που δέχονται από αυτόν. Συνεπώς οι κινήσεις των σωμάτων στο σύμπαν καθορίζονται από τις ελκτικές βαρυτικές δυνάμεις.

Η Γη ασκεί βαρυτική δύναμη σε οποιοδήποτε σώμα ανεξάρτητα από την κατάσταση του (στερεά, υγρή, αέρια κατάσταση) και με τον τρόπο που κινείται (ακίνητο στο έδαφος, πέφτει η ανυψώνετε). Το βάρος είναι ελκτική δύναμη με διεύθυνση κατακόρυφη (η ευθεία που ορίζει η ακτίνα της της Γης σ’ αυτό τον τόπο) και φορά προς το κέντρο της Γης. Το βάρος που δέχεται ένα σώμα εξαρτάται από τη μάζα του. Τα σώματα  μεγάλης μάζας έχουν μεγαλύτερο βάρος από τα σώματα μικρότερης μάζας που βρίσκονται στον ίδιο τόπο. Επίσης το βάρος ενός σώματος εξαρτάται από την απόσταση του από το κέντρο της Γης. Έτσι καθώς ένα σώμα ανεβαίνει σε υψόμετρο, η βαρυτική δύναμη που δέχεται από τη Γη μειώνεται. Το βάρος ενός σώματος εξαρτάται και από τη μάζα του πλανήτη που το προκαλεί. Έτσι στην επιφάνεια της Σελήνης ένα σώμα έχει βάρος ίσο με το 1/6 του βάρους που το ίδιο σώμα έχει στην επιφάνεια της Γης. Πράγματι αυτό οφείλεται στο ότι η Σελήνη έχει μικρότερη μάζα από τη Γη και έτσι ασκεί μικρότερη ελκτική βαρυτική δύναμη.

Τριβή

Όταν σπρώχνουμε ένα κιβώτιο στο δάπεδο καταλαβαίνουμε ότι κάποια δύναμη το εμποδίζει να κινηθεί. Επίσης αν ωθήσουμε ένα σώμα να κινηθεί στο δάπεδο, θα παρατηρήσουμε ότι θα κινηθεί με μειούμενη ταχύτητα μέχρι να σταματήσει. Αλλά πιο το αίτιο (δύναμη) προκαλεί αυτή τη μεταβολή της κινητικής κατάστασης; Και στις δυο περιπτώσεις η δύναμη που ασκείται είναι η τριβή που αντιστέκεται στην κίνηση του σώματος. Δίνουμε τον ακόλουθο ορισμό:

Τριβή ονομάζεται η δύναμη που ασκείται από ένα σώμα σε ένα άλλο, όταν τα δύο σώματα βρίσκονται σε επαφή και το ένα κινείται ή τείνει να κινηθεί σε σχέση με το άλλο.

Η τριβή είναι δύναμη και έχει χαρακτηριστικά δύναμης σαν διανυσματικό μέγεθος και έχει κατεύθυνση (διεύθυνση και φορά) καθώς και μέτρο. Τα χαρακτηριστικά της δύναμης ορίζονται ως εξής:
1] Σημείο εφαρμογής, το σώμα πάνω στο οποίο ασκείται
2] Διεύθυνση παράλληλη στην επιφάνεια επαφής του σώματος.
3] Φορά είναι η αντίθετη στη φορά της κίνησης.
Η τριβή έχει στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων, μονάδα μέτρησης το 1 Ν

Γνωρίζουμε ότι η δύναμη τριβής αντιτίθεται στην ολίσθηση του σώματος στο οποίο βρίσκεται σε επαφή με ένα άλλο. Καταλαβαίνουμε ότι η τριβή είναι χρήσιμη διότι μας βοηθά να περπατάμε χωρίς να γλιστράμε, όπως αντιθέτως συμβαίνει σε μια πίστα πάγου. Επίσης βοηθά στο αυτοκίνητο να κινείται και αυτό επειδή η τριβή επιτρέπει την κύλιση των τροχών στο έδαφος χωρίς να γλιστράνε, κι έτσι αυτό μπορεί να επιταχύνεται ή να επιβραδύνεται και να στρίβει αλλάζοντας την κατεύθυνση της ταχύτητας του.

Πως σχεδιάζουμε τις δυνάμεις

Γνωρίζουμε ότι το αίτιο της μεταβολής της κινητικής κατάστασης ενός σώματος είναι η δύναμη. Επομένως για να μπορέσουμε να βρούμε τον τρόπο κίνησης του σώματος αρκεί να βρούμε τις δυνάμεις που ασκούνται σε αυτό και να τις σχεδιάζουμε σωστά. Τα βήματα που ακολουθούμε για το σωστό σχεδιασμό των δυνάμεων είναι:

Πρώτο: Επιλέγουμε το σώμα που μας ενδιαφέρει. Υπενθυμίζουμε ότι θεωρούμε τα σώματα ως υλικά σημεία.

Δεύτερο: Σχεδιάζουμε τις δυνάμεις από απόσταση που ασκούνται στο σώμα. Ένα σώμα το οποίο βρίσκεται στην επιφάνεια της Γης ή σε κάποιο υψόμετρο ενεργεί το βάρος του. Σχεδιάζουμε το βάρος, με σημείο εφαρμογής το κέντρο βάρους του σώματος και διεύθυνση κατακόρυφη προς το κέντρο της Γης.

Τρίτο: Σχεδιάζουμε όλες τις δυνάμεις επαφής που ασκούνται στο σώμα.

Για τις δυνάμεις επαφής διακρίνουμε τις περιπτώσεις:

1] Ένα σώμα βρίσκεται σε επαφή πάνω σε ένα άλλο και στο οποίο ασκούνται δυο δυνάμεις όπως περιγράφονται παρακάτω: Α) Η κάθετη δύναμη που η επιφάνεια ασκεί στο σώμα και είναι κάθετη στην επιφάνεια επαφής και φορά από την επιφάνεια στο σώμα. Β) Η δύναμη τριβής που είναι η δύναμη στην οποία η επιφάνεια ασκεί στο σώμα αν αυτό ολισθαίνει ή τείνει να ολισθήσει πάνω στην επιφάνεια και είναι παράλληλη σ’ αυτή την επιφάνεια.

2] Ένα σώμα βρίσκεται σε επαφή με ένα τεντωμένο νήμα και το σώμα δέχεται δύναμη από το νήμα που ονομάζεται τάση του νήματος και έχει διεύθυνση του νήματος και φορά από το σώμα στο νήμα.

3] Ένα σώμα βρίσκεται σε επαφή με ένα ελατήριο, όπου στο σώμα ασκείται δύναμη από το ελατήριο με διεύθυνση ίδια με εκείνη του ελατηρίου. Αν το ελατήριο είναι τεντωμένο τότε η δύναμη ελατηρίου έχει φορά από το σώμα στο ελατήριο και αν είναι συμπιεσμένο η δύναμη ελατηρίου έχει φορά από το ελατήριο στο σώμα. Όταν το ελατήριο είναι στο φυσικό του μήκος δεν ασκεί δύναμη.