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【いくつご存知ですか?】物理の世界の11の力

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本記事は、11 Different Types Of Forces
翻訳・再構成したものです。
配信元または著者の許可を得て配信しています。

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読了時間 : 約5分24秒

物理学では、力は、質量を持つ任意のオブジェクトに対する押し引きとして定義でき、オブジェクトの動きを変化させることです。言い換えると、力によって、質量のあるオブジェクトの方向と速度が変化することです。

 

2人の偉大な物理学者であるアイザックニュートンとガリレオガリレイは、力のパターンを数学的に説明しました。1638年、ガリレオは傾斜面の実験を行い、力の測定方法に革命をもたらしました。50年後、ニュートンは運動の法則を考案し古典力学の基礎を築きました。

 

力は大きさと方向の両方を持っていて、ベクトル量です。記号Fで表され、ニュートン(N)のSI単位で測定されます。

 

力はその用途に基づいて2つのグループに分類できます。

 

接触力:直接、媒体を介して身体に作用します。

非接触力:身体と直接接触することなく空間を介して作用します。
現象をよりよく説明するために、すべての異なるタイプの力について例を挙げて説明しました。4つの基本的な力から始めましょう。

 

1.重力

Gは宇宙の重力定数であり、天体によって異なる

タイプ:非接触力

 

重力は、質量を持つ2つのオブジェクトを引き付けるものです。それは、宇宙を含むあなたを含むすべてのオブジェクトに作用します。

 

オブジェクトが相互に及ぼす重力の大きさは、「それらの質量の積に直接比例し、それらの間の距離の2乗に反比例する」物体の質量が大きく、それらの間の距離が短いほど、力は大きくなります。

 

これは、自然界に見られる4つの基本的な力の中で最も弱いものです。重力は原子レベルでは実質的な影響を与えませんが、巨視的スケールでは支配的な相互作用であり、天体の形成、構造、軌道に大きく影響を与えます。

 

例:重力により、リンゴは木から落ちます。月を地球の周りを公転させます。太陽の下でガスを保持します。

 

 

 

2.電磁力

タイプ:非接触力

 

帯電した粒子間で発生する一種の相互作用です。電磁界(電荷の移動によって生成される)は、電磁力を伝達します。

 

電気と磁性は相互に関連しています。流れる電子が磁性を作り、動く磁石が電気を生成します。両者の関係はジェームズ・クラーク・マクスウェルによって非常によく説明され、方程式で定量化されています。

 

例:電磁気学の最も一般的な例は、空間を伝搬(放射)する電磁放射エネルギーを運ぶ光です。

次の例は、帯電した原子核と原子の電子の間に作用する力です。

 

 

 

3.強い核力

強い核力が持つ陽子と中性子

タイプ:非接触力

 

原子核や素粒子物理学では、強い力が原子核の構造的完全性を担っています。陽子は正の電荷を持ち、互いに反発します。強い核力は、反発する陽子をまとめて保持し、原子核を形成します。

 

中性子、陽子の質量の約99%は、強い力のエネルギーの結果です。

 

1フェムトメーター(10 -15 m)の範囲で作用するのは、自然界で最も強い力です。電磁気よりもほぼ137倍強力であり、重力より100デシロン(1038倍)強いです。

 

例:強い核力がクォークを陽子や中性子などのハドロン粒子に結び付け、原子核を形成します。これは物質に穴をあける力です。

 

より大きな規模では、原子力発電所で発電のために熱を生成するために使用されます。それはまた核兵器の巨大な破壊力の原因でもあります。核兵器は、爆発すると、極端な量のエネルギーを放出します。

 

 

4.弱い核力

粒子の放射性崩壊

タイプ:非接触力

 

核物理学では、弱い力は、原子の放射性崩壊を引き起こす素粒子間の相互作用を指します。具体的には、核子のレプトンや他のタイプのハドロンへの崩壊の原因となります。

 

場の強さは強い核力のそれよりもおよそ10-13倍少ないですが短距離では重力よりもはるかに強力です。

 

例:弱い力の最もよく知られている影響は、(中性子の)ベータ崩壊と関連する放射能です。これは、太陽の燃焼や放射性炭素年代測定などの反応で発生します。

 

 

 

5.加えた力

タイプ:接触力

 

名前が示すように、オブジェクトに加える力です。力の大きさがオブジェクトの慣性に勝ると、オブジェクトが動き始めます。

 

外力が加えられない限り、体は静止したままであるか、直線的に等速運動します。これにより、体の運動状態と方向が変化します。体の加速度は、加えられた力に正比例します。

 

例:人が箱に加える力。

 

 

6.摩擦力

タイプ:接触力

 

物体の相対運動に対抗する表面力は、摩擦力と呼ばれます。現実の世界では完全に滑らかなオブジェクトはないため、2つのサーフェス間には常に摩擦があります。その大きさは、表面の材料の摩擦係数に比例します。

 

摩擦力の2つの主なタイプは、静的摩擦(静止オブジェクトの摩擦力)と動的摩擦(移動オブジェクトの摩擦力)です。空気抵抗は、オブジェクトが空気中を移動するときにオブジェクトに作用する摩擦力でもあります。

 

常に運動とは逆の方向に作用し、運動エネルギーを熱エネルギーに変換します。摩擦は陸上での動きを促進する牽引力を与える重要で望ましい力です。

 

例:コースターがテーブルに対して滑る、デッキ内の2枚のカードが互いに交差する、手をこすって熱を発生させるなど、すべて摩擦の例です。

 

 

7.垂直力

タイプ:接触力

 

2つの表面が接触すると、それらは互いに垂直な力を及ぼします。「Normal」という言葉は、垂直を指します。これは、力が接触している2つの表面に垂直に向けられることを意味します。

 

例:ラップトップをテーブルの上に置くと、通常の力でテーブルから落下しなくなります。地球の重力がラップトップを下向きに引っ張りますが、実際には落下しないので、絶えずそれを押し上げる力がなければなりません。それが垂直力と呼ばれるものです。

 

これは電磁力に由来します。ラップトップ内の電子はテーブルの電子を押します。電子は負に帯電しているため、お互いに近づくことはなく、ラップトップはテーブルの上に置かれたままです。

 

 

8.張力

画像クレジット:カーンアカデミー

タイプ:接触力

 

張力は通常、両端から作用する力によって強く引っ張られると、ワイヤー、ケーブル、ストリング、ロープを介して伝達されます。力はケーブルの長さに沿って向けられます。

 

張力は、ケーブルの両端に作用する力と反対の力としても定義できます。圧縮の反対です。

 

例:ボックスを引っ張るロープ、またはロープにぶら下がっているボックスは、(ロープ内の)張力の良い例です。

 

 

9.ばね力

タイプ:接触力

 

ばね力とは、引き伸ばされた、または圧縮された紐がそれに取り付けられた物体に及ぼす力です。

 

変形に抵抗し、影響が取り除かれたときに元の状態に戻るばねの能力は、その材料、コイルの数、コイルを形成するワイヤの直径に依存します。一般に、これらの特性は、ばね定数「k」と呼ばれるパラメーターで定量化されます。

フックの法則に従うすべてのばねの場合、力の大きさはばね定数(k)と圧縮/伸ばされた長さ(x)に正比例します。

 

例:自動車用ショックアブソーバーはスプリングで作られています。衝撃の運動エネルギーを別の形のエネルギー(熱など)に変換することによって衝撃インパルスを吸収するように設計されており、放散されます。

 

 

10.求心力

タイプ:非接触力

 

求心力は円運動で加速するオブジェクトに作用します。オブジェクトが曲がった経路をたどる力です。

力の方向は常に、経路の瞬間的な曲率中心の固定点に向かい、オブジェクトの動きに直交しています。

 

例:求心力の最も一般的な2つの例は、車と地球が太陽の周りを回っていることです。前者の場合、求心力は車輪と地面の間の摩擦によって起こりますが、後者の場合、重力によって起こります。

 

 

 

11.慣性力

タイプ:非接触力

 

慣性力(見かけの力とも呼ばれます)は、回転する基準座標系を含んだ非慣性系で動きが特徴付けられている、質量に作用する見かけの力です。

 

これは、座標系が加速を開始したときに起こります。「見かけの力」という用語は、ニュートン力学では正確な意味を持ちます。これは作用する物体の質量に常に比例しています。

 

例:移動中の車両で経験する力は、慣性力の日常の例です。車両が前方向に加速すると、座席に戻ろうとします。車両が鋭角に曲がると、左右に投げられそうになります。これらの影響は、特定の状況で基準座標系自体が加速しているために発生します。

 

回転する基準座標系では、慣性力は、遠心分離機の縁に向いオブジェクトを外側に押すように見える力のことです。

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