Fysiikka 4  luku 2 Voima

Vuorovaikutus

Jos kappaleita on kaksi, vuorovaikutus vaikuttaa molempiin osapuoliin aina yhtä voimakkaasti ja samanaikaisesti. Kaikki luonnossa havaitut fysikaaliset vuorovaikutukset voidaan selittää neljän perusvuorovaikutuksen avulla. Näitä ovat heikko vuorovaikutus, vahva vuorovaikutus, sähkömagneettinen vuorovaikutus ja gravitaatiovuorovaikutus. Nämä perusvuorovaikutukset aiheuttavat kaikki tunnetut voimat ja muut vuorovaikutukset.

Vuorovaikutus ilmenee kappaleeseen kohdistuvana voimana. Voimat esiintyvät aina pareittain. Kumpaankin vuorovaikutuksen osapuoleen kohdistuvat yhtä suuret voimat, jotka ovat vastakkaissuuntaiset. Tämä on voiman ja vastavoiman laki eli Newtonin kolmas laki.

Perusvuorovaikutusten lisäksi vuorovaikutukset voidaan jakaa kosketus- ja etävuorovaikutuksiin. Kosketusvoimia ovat tukivoima, kitka, jännitysvoima ja noste. Gravitaatio sekä sähköiset ja magneettiset voimat ovat etävoimia.

2.1 Mekaniikan peruslait

Kappaleen hitaudella tarkoitetaan kappaleen ominaisuutta vastustaa liikkeensä muutosta. Massa on kappaleen hitauden mitta. Kappaleen liikkeen muuttamiseen tarvitaan aina ulkoinen vaikutus, eli kappaleeseen pitää vaikuttaa voima. Kappaleen hitautta kuvaavaa massaa kutsutaan joskus hitaaksi massaksi. Myös gravitaation vaikutuksen suuruutta kappaleeseen kuvataan massalla: tätä massaa kutsutaan painavaksi massaksi. Hidasta ja painavaa massaa voidaan kuitenkin pitää samana suureena, sillä ne ovat yhtä suuret.

Kokonaisvoiman ja kiihtyvyyden suunnat ovat aina samat! Voima ei voi esiintyä yksin, koska vuorovaikutuksessa on aina kaksi kappaletta. Voima ja sen vastavoima vaikuttavat eri kappaleisiin eli vuorovaikutuksen eri osapuoliin. Ne eivät siis kumoa toisiaan!

Newtonin 1. lain mukaan kappale, joka ei ole vuorovaikutuksessa muiden kappaleiden kanssa, pysyy levossa tai jatkaa liikettään suoraviivaisesti muuttumattomalla nopeudella.

Newtonin 2. lain mukaan kappaleen saama kiihtyvyys a on suoraan verrannollinen kappaleeseen vaikuttavaan kokonaisvoimaan ∑F ja kääntäen verrannollinen kappaleen massaan m. Kiihtyvyyden suunta on sama kuin kokonaisvoiman suunta. Eli ∑F = ma.

Newtonin 3. lain mukaan jos kappale A vaikuttaa kappaleeseen B voimalla Fab, kappale B vaikuttaa kappaleeseen A voimalla Fba, joka on yhtä suuri mutta vastakkaissuuntainen kuin voima Fab.

2.2 Liikeyhtälö

Vaikutuspisteen kautta kulkevaa voiman suuntaista suoraa sanotaan vaikutussuoraksi. Voiman vaikutus jäykkään kappaleeseen ei muutu, vaikka vaikutuspiste siirtyisi vaikutussuoralla. Painon aiheuttaa kappaleen gravitaatiovuorovaikutus Maan kanssa.

Paino on gravitaatiovoima, jolla maapallo vaikuttaa kappaleeseen. Tukivoima on aina kohtisuorassa kosketuspintaa vasten. Liikeyhtälö on ∑F=ma. Sen mukaan kappaleeseen vaikuttava kokonaisvoima määrää kappaleen liikkeen muuttumisen eli kappaleen kiihtyvyyden.

2.3 Voimien yhteisvaikutus

Jos yhdistettävät voimat ovat kohtisuorassa toisiaan vastaan, voimien yhteisvaikutuksen eli resultantin suuruus lasketaan Pythagoraan lauseella. Kappale on tasapainossa etenemisen suhteen, jos siihen vaikuttava kokonaisvoima on nolla. Tasapainoehto on ∑F=0.

Voiman komponentit

Voiman komponenttien suuruudet ovat

Fx = F cos α

Fy = F sin α

2.4 Väliaineen vastus ja kitka

Nesteessä tai kaasussa liikkuvan kappaleen liikettä vastustavaa voimaa sanotaan väliaineen vastukseksi. Kitka on kappaleiden välinen kosketusvoima, joka vastustaa kappaleiden liukumista toistensa suhteen. Kitkan suunta on kosketuspinnan suunta. Kitkan suuruus ei riipu kosketuspintojen alasta.

Liukukitka on kappaleen liukumista estävä voima. Lepokitka on kappaleen liikkeellelähtöä estävä voima. Lepokitkalla ei ole vakioarvoa, vaan se on muuttuva voima, ja sen suurinta arvoa sanotaan täysin kehittyneeksi lepokitkaksi tai lähtökitkaksi. Lähtökitka on lepokitkan suurin arvo.

Liukukitka Fµ on verrannollinen pinnan tukivoimaan N eli

Fµ = µN

Lähtökitka on

Fµ0 = µ0N

2.5 Noste

Hydrostaattinen paine aiheuttaa nesteessä olevaan kappaleeseen kappaletta nostavan voiman, koska paine on kappaleen alapinnan korkeudella suurempi kuin yläpinnan korkeudella. Arkhimedeen lain mukaan kun kappale on väliaineessa, siihen kohdistuu ylöspäin noste, joka on yhtä suuri kuin kappaleen syrjäyttämän väliainemäärän paino. Nosteen suuruus on

N = ρVg

jossa V on kappaleen upoksissa olevan osan tilavuus ja p nesteen (tai kaasun) tiheys. Nosteen suunta on ylöspäin. Noste aiheutuu hydrostaattisen paineen erosta kappaleen eri pinnoilla. Nosteen suuruus ei riipu siitä, mistä aineesta kappale on tehty.