En física, una força és una magnitud vectorial que expressa una acció que s'imprimeix en un objecte en estat de moviment o de repòs. Aquesta acció implica un canvi de velocitat, direcció o forma. El seu nom prové del latin fortia.
Segons la definició de força, aquesta actua sobre un objecte que és capaç de modificar-ne l'acceleració, és a dir, variar-ne la velocitat i la trajectòria. Una força també pot provocar la deformació dun objecte i un canvi en la pressió.
A més de la magnitud i la direcció, una força està determinada pel punt d'aplicació on actua sobre un cos.
Si la suma de totes les forces sobre un cos és zero, aleshores el centre de massa no pateix acceleració. El cos es pot deformar sota la influència d'aquestes forces. Per exemple, el cos es pot estirar a causa de dues forces oposades.
Unitats de mesura
La força es mesura en diferents unitats de mesura, i el newton (N) és la unitat principal utilitzada en el Sistema Internacional d'Unitats (SI). El newton es defineix com la força necessària per proporcionar una acceleració de 1 metre per segon al quadrat a un objecte de massa de 1 quilogram.
A més del newton, hi ha altres unitats de mesura de força que s'utilitzen en diferents contextos, algunes de les quals inclouen:
- Lliura-força (lbf): És una unitat de força comunament utilitzada als Estats Units i en països que segueixen el sistema d'unitats imperials. Es defineix com la força necessària per accelerar una massa d'una lliura a 32.174 peus per segon al quadrat.
- Quilogram-força (kgf) o quilopondi (kp): És una unitat utilitzada en alguns països, especialment a Àsia. Es defineix com la força exercida per la gravetat sobre un objecte amb massa d'un quilogram.
- Dina (dyn): És una unitat de força al sistema CGS (centímetre-gram-segon). Una dina és la força necessària per accelerar un gram a un centímetre per segon al quadrat.
Lleis de Newton: la relació entre força, massa i acceleració
Les lleis de Newton són tres lleis fonamentals de la mecànica clàssica que descriuen com les forces afecten el moviment dels objectes.
Mitjançant les lleis de Newton es relacionen els conceptes de força, massa i acceleració.
-
La primera llei de Newton (Llei de la inèrcia): Aquesta llei estableix que un objecte en repòs tendeix a romandre en repòs, i un objecte en moviment tendeix a mantenir el seu moviment rectilini uniforme, llevat que una força externa actuï sobre ell. En altres paraules, un objecte no canviarà el seu estat de moviment a no ser que una força neta actuï sobre ell.
-
La segona llei de Newton (Llei de la força i l'acceleració): Aquesta llei estableix que l'acceleració d'un objecte és directament proporcional a la força neta que hi actua i inversament proporcional a la massa.
-
La tercera llei de Newton (Llei d'acció i reacció): Aquesta llei estableix que per cada acció hi ha una reacció d'igual magnitud però en sentit oposat. És a dir, quan un objecte A exerceix una força sobre un objecte B, l'objecte B exerceix una força de la mateixa magnitud però en direcció oposada sobre l'objecte A.
Tipus de forces
Hi ha diversos tipus de forces en física. A continuació, es presenten alguns dels principals tipus que es consideren en física:
- Força gravitatòria És la força d'atracció mútua que existeix entre dos objectes amb massa. La força de la gravetat és responsable que els objectes caiguin cap a la Terra i de l'òrbita dels planetes al voltant del Sol.
- Força centrípeta És la força que actua sobre un objecte en moviment circular, dirigint-lo cap al centre de la trajectòria. La seva presència és essencial per mantenir objectes en moviment circular constant.
- Força electromagnètica: És la força que actua entre partícules carregades elèctricament. Aquesta força és responsable de la interacció entre electrons i protons als àtoms, així com de fenòmens electromagnètics com el magnetisme i l'electricitat.
- Força nuclear forta : És una força extremadament poderosa que actua dins del nucli atòmic. Aquesta força és responsable de mantenir units els protons i neutrons al nucli, contrarestant la força electromagnètica de repulsió entre els protons carregats positivament.
- Força nuclear feble: És una força responsable de certs tipus de desintegracions radioactives. Està associada amb les interaccions entre partícules subatòmiques i està involucrada en processos com ara la desintegració beta.
- Força de fricció: És la que s'oposa al moviment relatiu de dues superfícies en contacte. La fricció pot ser estàtica (quan els objectes no es desplacen), cinètica (quan els objectes es desplacen) o fluida (quan un objecte es mou mitjançant un fluid, com l'aire o l'aigua).
- Força elàstica: es produeix quan s'estira o es comprimeix un objecte elàstic, com un ressort. Aquesta força és proporcional a la deformació i s'adreça en sentit oposat al desplaçament i queda definida d'acord amb la llei de Hooke.
- Força de tensió : és una força interna que actua a l'interior d'un objecte quan està sent sotmès a estirament o tracció. Aquesta força es propaga al llarg de l'objecte, mantenint-ne la integritat estructural i resistint el canvi de forma a causa de les forces externes que l'estiren.
Relació amb la feina
L‟aplicació d‟una força pot implicar l‟obtenció d‟un treball: el treball es defineix com la transferència d‟energia causada per l‟aplicació d‟una força al llarg d‟una distància.
Matemàticament, el treball (W) es calcula multiplicant la magnitud de la força (F) per la distància recorreguda en la direcció de la força (d), i després multiplicant-lo pel cosinus de l'angle (θ) entre la força i la direcció del desplaçament. Això s'expressa com:
W = F * d * cos(θ)
El treball pot ser positiu, negatiu o nul, depenent de la relació entre la força i el desplaçament.
Diagrames de cos lliure
Els diagrames de cos lliure són eines utilitzades en física per analitzar i visualitzar les forces que actuen sobre un objecte en particular. Aquests diagrames representen un objecte aïllat, mostrant totes les forces que hi actuen i la seva direcció relativa.
Aquest diagrama permet visualitzar clarament les forces i analitzar-ne la influència en el moviment o l'equilibri de l'objecte. A més, són útils en diverses branques de la física, com ara la mecànica, per analitzar el moviment d'objectes, l'equilibri de sistemes i la resolució de problemes de forces.