Η έννοια της Δύναμης

Στη Φυσική δεχόμαστε ότι πάνω σε ένα σώμα μπορεί να επιδράσει κάποιο άλλο σώμα του περιβάλλοντος του. Στην ορολογία της Φυσικής, η επίδραση που δέχεται ένα σώμα από κάποιο άλλο, λέγεται δύναμη. Παραδείγματα δυνάμεων είναι η δύναμη του βάρους που ασκεί η Γη σε κάποιο σώμα. Η δύναμη του τεντωμένου ελατηρίου που ασκεί στο χέρι μας καθώς το τραβάμε. Η δύναμη που ασκεί η ρακέτα στο μπαλάκι καθώς το κτυπά.

Δύναμη και κίνηση

Ένας ποδοσφαιριστής για να στείλει στα δίκτυα την μπάλα, καθώς εκτελεί πέναλτι, κτυπά δυνατά την ακίνητη μπάλα με το πόδι του και αυτή φεύγει με ταχύτητα. Εδώ ο ποδοσφαιριστής ασκεί δύναμη με το πόδι του στην μπάλα για να μπορέσει να φύγει με ταχύτητα. Ο τερματοφύλακας αποκρούει την μπάλα με τα χέρια του αλλάζοντας την κατεύθυνση της ταχύτητας. Εδώ ο τερματοφύλακας ασκεί δύναμη με τα χέρια του στην μπάλα για να αλλάξει την κατεύθυνση της.

Εδώ βλέπουμε ότι η δύναμη προκαλεί αλλαγή της κινητικής κατάστασης του σώματος. Η μεταβολή της κινητικής κατάστασης ενός σώματος ή απλά μεταβολή της κινησης του, εκδηλώνεται είτε ως μεταβολή του μέτρου της ταχύτητας που έχει, είτε ως μεταβολή της κατεύθυνσης της ή ταυτόχρονα και τα δυο.

Κάθε φορά που η ταχύτητα ενός σώματος αλλάζει (αλλάζει το μέτρο ή η κατεύθυνση ή και τα δυο) τότε συμπεραίνουμε ότι πάνω στο σώμα ασκείται δύναμη που προκαλεί αυτή τη μεταβολή.

Πρέπει να καταλάβουμε ότι για να αλλάξει η κινητική κατάσταση ενός σώματος μπορεί να γίνει μόνο όταν ασκηθεί στο σώμα η κατάλληλη δύναμη.

Συμπέρασμα: Οι δυνάμεις προκαλούν μεταβολή στην (στιγμιαία) ταχύτητα των σωμάτων πάνω στα οποία δρουν.

Δύναμη και παραμόρφωση

Μπορούμε να παραμορφώσουμε ένα αντικείμενο επιδρώντας σε αυτό με αποτέλεσμα αυτό να αλλάζει σχήμα. Για παράδειγμα, με τα χέρια μας παραμορφώνουμε ένα κομμάτι πλαστελίνη, καθώς και όταν τραβώντας με το χέρι μας ένα ελατήριο το παραμορφώνουμε. Καταλαβαίνουμε εδώ, ότι η δύναμη που ασκούμε προκάλεσε την παραμόρφωση του σώματος.

Συμπέρασμα: Οι δυνάμεις προκαλούν παραμόρφωση στα σώματα πάνω στα οποία ενεργούν.

Δυνάμεις και αλληλεπιδράσεις

Ένας ορισμός για την δύναμη μπορεί να είναι ο εξής: Δύναμη είναι το αίτιο που προκαλεί μεταβολή στην κινητική κατάσταση των σωμάτων ή την παραμόρφωση τους.

Όσο και να ψάξουμε δεν υπάρχει σώμα που μόνο να ασκεί δύναμη(εις) και σώμα που μόνο να δέχεται δύναμη(εις). Οι δυνάμεις εμφανίζονται ανά δύο μεταξύ των σωμάτων, δηλαδή τα σώματα αλληλοεπιδρούν μεταξύ τους.

Αυτό σημαίνει ότι αν ένα σώμα Α ασκεί μια δύναμη σε ένα άλλο σώμα Β τότε και το σώμα Β ασκεί δύναμη στο σώμα Α.

Παραδείγματα αλληλεπίδρασης σωμάτων. Ο ποδοσφαιριστής με το πόδι του ασκεί δύναμη στην μπάλα, όταν εκτελεί πέναλτι, αλλά και η μπάλα ασκεί δύναμη στο πόδι του ποδοσφαιριστή γι’ αυτό νιώθει πόνο. Ο Ήλιος ασκεί ελκτική δύναμη στη Γη και η Γη ασκεί ελκτική δύναμη στον Ήλιο.

Κατηγορίες δυνάμεων

Είπαμε ότι δύναμη είναι η επίδραση ενός σώματος σε ένα άλλο και ότι τα σώματα αλληλοεπιδρούν μεταξύ τους ασκώντας δύναμη το ένα το άλλο. Τα σώματα αυτά που αλληλοεπιδρούν μπορεί να βρίσκονται σε επαφή ή σε απόσταση. Έτσι ανάλογα με τον τρόπο αλληλεπίδρασης, οι δυνάμεις χωρίζονται σε δυο κατηγορίες:

Α. Δυνάμεις επαφής που δρουν όταν τα σώματα ασκούν δυνάμεις και είναι σε επαφή. Παραδείγματα δυνάμεων επαφής:
1] Οι δυνάμεις που ασκούν τα τεντωμένα σκοινιά ή τα ελατήρια σε σώματα που είναι δεμένα μαζί τους.
2] Οι δυνάμεις που ασκούνται μεταξύ σωμάτων που συγκρούονται.
3] Η δύναμη τριβής ανάμεσα σε δυο επιφάνειες που βρίσκονται σε επαφή.
4] Οι δυνάμεις που ασκούν τα υγρά στα τοιχώματα των δοχείων που βρίσκονται.

Β. Δυνάμεις από απόσταση δρουν όταν τα σώματα όταν ασκούν δυνάμεις, δεν είναι σε επαφή και βρίσκονται σε απόσταση μεταξύ τους. Παραδείγματα δυνάμεων από απόσταση:
1] Οι βαρυτικές δυνάμεις που ασκούνται μεταξύ των ουράνιων σωμάτων. Π.χ. η δύναμη που ασκεί ο Ήλιος στη Γη. Οι δυνάμεις βάρους που ασκεί η Γη σε σώματα που βρίσκονται στην επιφάνεια της ή σε κάποιο ύψος.
2] Οι ηλεκτρικές δυνάμεις που ασκούνται μεταξύ φορτισμένων σωμάτων.
3] Οι μαγνητικές δυνάμεις που ασκούνται μεταξύ μαγνητών και μεταξύ μαγνήτη και σιδερένιων αντικειμένων.

Μέτρηση της δύναμης

Η δύναμη είναι φυσικό μέγεθος διότι μπορεί να μετρηθεί. Για να μετρήσουμε μια δύναμη θα χρησιμοποιήσουμε τα αποτελέσματα που προκαλεί στα σώματα που δρα.

Γνωρίζουμε ότι η δύναμη που ασκείται σε ένα σώμα έχει ως αποτέλεσμα να μεταβάλει την ταχύτητα του. Μονάδα μέτρησης της Δύναμης στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων είναι το 1Ν (Newton – Νιούτον). Δύναμη μέτρου 1Ν είναι η δύναμη που ασκείται σε ένα σώμα μάζας 1Kg και του μεταβάλει την ταχύτητα κατά 1m/s μέσα σε διάρκεια χρόνου 1s.

Έτσι για να μετράμε δυνάμεις θα μπορούσαμε να μετράμε μεταβολές της ταχύτητας του σώματος στο οποίο ενεργεί, αλλά αυτός ο τρόπος είναι πολύ δύσχρηστος και έτσι για τη μέτρηση μιας δύναμης διαλέγουμε την μέθοδο της μέτρησης της παραμόρφωσης (επιμήκυνσης) του ελατηρίου στο οποίο ασκείται.

Θα πούμε περισσότερα αφού περιγράψω τη σχέση (νόμο) μεταξύ της επιμήκυνσης ενός ελατηρίου και της δύναμης που την προκαλεί. Εκτελούμε το ακόλουθο πείραμα: Σε ένα ελατήριο το οποίο είναι αναρτημένο κατακόρυφα σε ακλόνητο σημείο, κρεμάμε μια μάζα η οποία ασκεί δύναμη F στο ελατήριο. Μετράμε την επιμήκυνση του ελατηρίου η οποία είναι x. Στη συνέχεια κρεμάμε διπλάσια μάζα στο ελατήριο, που ασκεί διπλασια δύναμη 2F. (Στη Φυσική αποδεικνύεται ότι το βάρος ενός σώματος είναι ανάλογο με τη μάζα του). Βλέπουμε ότι το ελατήριο επιμηκύνεται διπλάσια απόσταση 2x. Στη συνέχεια κρεμάμε τριπλάσια μάζα που ασκεί τριπλασια δύναμη στο ελατήριο 3F. Βλέπουμε ότι η επιμήκυνση του ελατηρίουτριπλασιάζεται σε 3x.

Γενικεύοντας καταλήγουμε στο συμπέρασμα το οποίο διατύπωσε το 17ο αιώνα ο Άγγλος φυσικός Robert Hook:    Η επιμήκυνση x ενός ελατηρίου είναι ανάλογη της δύναμης F που ασκείται πάνω σ’ αυτό. Δηλαδή:

F = K∙x

Η σταθερά αναλογίας Κ είναι χαρακτηριστική σταθερά και έχει συγκεκριμένη τιμή για κάθε ελατήριο.

Έτσι για να μετρήσουμε μια δύναμη, μετράμε την επιμήκυνση που προκαλεί όταν ασκηθεί σε ελατήριο και μ’ αυτό τον τρόπο, κατασκευάζουμε όργανα μέτρησης δυνάμεων που λέγονται δυναμόμετρα.

Διανυσματικός χαρακτήρας της δύναμης

Ο ποδοσφαιριστής που εκτελεί πέναλτι, κτυπά με το πόδι του την ακίνητη μπάλα με συγκεκριμένο τρόπο, ώστε να κινηθεί με την κατεύθυνση της ταχύτητας που θέλει. Επειδή η ταχύτητα είναι διανυσματικό μέγεθος, που εκτός από μέτρο έχει και κατεύθυνση, καταλαβαίνουμε ότι και η δύναμη που προκαλεί τη μεταβολή της ταχύτητας θα είναι και αυτή διανυσματικό μέγεθος.

Η δύναμη ως διανυσματικό μέγεθος χαρακτηρίζεται από:
1] Το μέτρο που δείχνει πόσο μεγάλη είναι η δύναμή και εκφράζεται σε Newton.
2] Την κατεύθυνση (διεύθυνση και φορά) που δείχνει προς τα που ενεργεί η δύναμη.
3] Το σημείο εφαρμογής που δείχνει σε ποιο σημείο του σώματος ενεργεί η δύναμη.

Η δύναμη παριστάνεται με διάνυσμα, που δεν είναι τίποτε άλλο από ένα βέλος (ένα ευθύγραμμο τμήμα που το ένα άκρο του το έχουμε ονομάσει αρχή και το άλλο τέλος). Το μήκος του διανύσματος είναι ανάλογο του μέτρου της δύναμης, δηλαδή σχεδιάζουμε το διάνυσμα σε κατάλληλη κλίμακα. Έτσι αν εκλέξουμε αυθαίρετα 1cm να αντιστοιχεί σε 1Ν, τότε μια δύναμη μέτρου 6Ν παριστάνεται με ένα διάνυσμα μήκους 6cm.

Εκτελούμε τα παρακάτω πειράματα: Έχουμε ένα αυτοκινητάκι που κινείται με μπαταρίες και το αφήνουμε να κινείται ευθύγραμμα. Με ένα νήμα που το δένουμε στο πίσω μέρος, του ασκούμε δύναμη παράλληλη και αντίθετη με την κίνηση του, δηλαδή στην ταχύτητα του. Παρατηρούμε ότι το αυτοκινητάκι θα συνεχίσει να κινείται ευθύγραμμα αλλά με μειούμενη ταχύτητα μέχρι να σταματήσει. Συμπέρασμα: Μια δύναμη που ασκείται με την ίδια διεύθυνση με τη ταχύτητα του σώματος, προκαλεί μεταβολή στην ταχύτητα μόνο στο μέτρο της.

Στο ίδιο αυτοκινητάκι που κινείται, δένουμε ένα νήμα πάνω σε αυτό στο πλάι και το άλλο το δένουμε σταθερά κάπου στο πάτωμα. Παρατηρούμε ότι το αυτοκινητάκι κάνει κυκλική κίνηση τέτοια ώστε η δύναμη που του ασκείται από το νήμα είναι κάθετη στην ταχύτητα του. Συμπέρασμα: Μια δύναμη που ασκείται με τέτοιο τρόπο ώστε να είναι κάθετη στην ταχύτητα του σώματος , προκαλεί μεταβολή στην ταχύτητα μόνο στην κατεύθυνση της.