Jõud füüsikas — määratlus, neli põhijõudu ja mõõtmine (N)
Jõud füüsikas: selge määratlus, neli põhijõudu, nende mõju objektide liikumisele ja kuju muutustele ning mõõtmine njuutonites (N) — praktiline ülevaade ja näited.
Füüsikas on jõud vastastikune mõju, mis põhjustab mõjutatava objekti tõukamist, tõmbamist või pööramist teatud suunas ning mille tulemuseks on objekti impulsi (liikumishulga) ja sageli ka kiiruse muutumine. Jõud võivad põhjustada objekti kiirendamist, lisada objekti üldrõhku, muudavad suunda või muudavad kuju. Jõu tugevust mõõdetakse njuutonites (N). Füüsikas eristatakse nii kontaktjõude (näiteks normaal- ja hõõrdejõud, pingetugevus, elastne jõud) kui ka kaugmõju jõude ning tavapäraselt klassifitseeritakse neli põhijõudu.
Mis on jõu omadused?
- Vektoriaalne suurus: jõudul on suurus ja suund; mitme jõu mõju sõltub nende vektorilisest summast.
- Netojõud: kehale mõjuvate kõigi jõudude vektoriaalne summa määrab keha kiirenduse (ΣF).
- Kontaktivõib ja kaugmõju: kontaktjõud tekivad otseses kokkupuutes (nt mahapainutatud vedru), kaugmõju jõud toimivad ka ilma otsese kokkupuuteta (nt gravitatsioon, elektromagnetiline).
- Seos massi ja kiirendusega: Newtoni teisest seadust väljendatakse valemiga F = m·a, kus F on jõud njuutonites, m mass kilogrammides ja a kiirendus m/s².
Newtoni seadused lühidalt
- Esimene seadus (inertsiseadus): keha püsib paigal või liigub ühtlase sirgliikumisega, kui sellel pole netojõudu.
- Teine seadus: keha kiirendus on võrdeline netojõuga ja pöördvõrdeline massiga: a = ΣF / m (või ΣF = m·a).
- Kolmas seadus: iga olemusliku jõu kohta on vastasmõju sama suur, kuid vastassuunaline (F12 = −F21).
Põhijõud (neli fundamentaalset jõudu)
- Gravitatsiooniline jõud (gravitatsioon): kõigi massidega kehade vahel; long-range (piiramatu ulatus), suhteliselt nõrk tugevus, määrab planeetide ja tähtede orbiidid. Klassikaline kaalujõud ehk kaal on keha gravitatsiooniline tõmme põhjustatud jõust (W = m·g).
- Elektromagnetiline jõud: toimib laengute ja magnetiliste momentide vahel; ulatus on samuti suur (piiramatu), palju tugevam kui gravitatsioon; vastutab elektriliste ja magnetiliste nähtuste, keemiliste sidemete ja suure osa igapäevasest makroskoopilisest interaktsioonist eest. Kandjaks on foton.
- Tugev tuumajõud: hoiab koos prootoneid ja neutroneid tuumas; väga tugev, kuid äärmiselt lühikese ulatusega (järgus 10⁻¹⁵ m). Kandjaks on gluonid.
- Nõrk tuumajõud: vastutab teatud tüüpi radioaktiivse lagunemise ja elementaarosakeste transformatsioonide eest; samuti lühike ulatus ja väiksem mõjuala kui tugev tuumajõud; kandjateks W± ja Z⁰ bosonid.
Mõõtmine ja ühikud
- SI-ühik: jõu ühik on njuuton (N), mis defineeritakse kui 1 N = 1 kg·m/s².
- Mõõteseadmed: tavapärased vahendid jõu mõõtmiseks on vedrujõumõõturid ehk dinamomeetrid, koormusandurid (load cell), venitusandurid (strain gauge) ja elektroonilised jõuandurid. Need annavad tulemuse njuutonites või teisendatakse sellest sobivasse ühikusse.
- Katseliselt: lihtne demonstratsioon on keha kaalumine: mass m langetatakse raskuskiirenduse g tingimustes ja kaal jõud W ≈ m·g on mõõdetav dinamomeetriga.
Näited igapäevaelust
- Normaaljõud: laualt mõjuv tõukur, mis tasakaalustab gravitatsioonilist jõudu, nii et objekt püsib paigal.
- Hõõrdejõud: pidurdab libisevat jalgratast, sõltub normaaljõust ja pindade omadustest.
- Pingejõud: joone või köie kaudu edastatav tõmbejõud (nt lent) — sageli ideaalne mudel pingelise juhtme jaoks.
- Elastne jõud: vedru või kummist objekti elastsest deformatsioonist taastumine (Hooke’i seadus F = −k·x väikeste deformatsioonide puhul).
Jõudude vektoriaalne käsitlus ja tasakaal
Kuna jõud on vektor, liidetakse need vektoriaalselt — kas komponentide järgi koordinaatidel (x, y, z) või graafiliselt paralleelogrammi- või kolmnurkmeetodiga. Kui keha on tasakaalus (st staatilises tasakaalus või liigub ühtlase sirgjoonelise liikumisega), on kõikidele kehale mõjuvatele jõudude vektoriaalne summa null. Kui summa ei ole null, tekib vastav kiirendus ΣF = m·a.
See ülevaade annab aluse jõudude mõistmiseks nii klassikalises mehaanikas kui ka sügavamates teoreetilistes kontekstides (nt tuumajõudude ja elektromagnetismi rolli kirjeldused). Praktikas kasutatakse võrrandit ΣF = m·a ja mõõteseadmeid, et kvantitatiivselt hinnata ja kontrollida kehade käitumist.
Newtoni teine seadus
Vastavalt Newtoni teisele liikumisseadusele on jõu leidmise valem:
F = m a {\displaystyle F=ma} 
kus F {\displaystyle F}
on jõud,
m {\displaystyle m}
on objekti mass
ja a {\displaystyle a}
on objekti kiirendus.
See valem ütleb, et kui objektile mõjub jõud, siis liigub see üha kiiremini. Kui jõud on nõrk ja objekt on raske, siis võtab see kaua aega, et kiirus väga palju suureneks, aga kui jõud on tugev ja objekt on kerge, siis liigub see väga kiiresti palju kiiremini.
Kaal
Gravitatsioon on kiirendus. Kõik, millel on mass, tõmmatakse selle kiirenduse tõttu Maa poole. See tõmme on jõud, mida nimetatakse kaaluks.
Võib võtta ülaltoodud võrrandi ja muuta a {\displaystyle a} standardse raskusjõu g vastu, siis saab leida valemi gravitatsiooni kohta Maal:
W = m g {\displaystyle W=mg} 
kus W {\displaystyle W}
on objekti kaal,
m {\displaystyle m} on objekti mass
ja g {\displaystyle g}
on raskuskiirendus merepinna kõrgusel. See on umbes 9,8 m/s 2 {\displaystyle 9.8m/s^{2}} 
.
See valem ütleb, et kui te teate objekti massi, siis saate arvutada, kui suur on raskusjõu mõju objektile. Selle valemi kasutamiseks peate olema maa peal. Kui te olete Kuul või mõnel teisel planeedil, siis võite kasutada seda valemit, kuid g on erinev.
Jõud on vektor, nii et see võib olla tugevam või nõrgem ja see võib olla ka eri suundades. Gravitatsioon osutab alati alla maapinnale (kui te ei ole kosmoses).
Gravitatsioonijõud
Teine võrrand, mis ütleb midagi gravitatsiooni kohta, on:
F = G m 1 m 2 d 2 {\displaystyle {F}={\frac {Gm_{1}m_{2}}{d^{2}}}} 
F {\displaystyle F} on jõud; G {\displaystyle G}
on gravitatsioonikonstant, mida kasutatakse selleks, et näidata, kuidas gravitatsioon kiirendab objekti; m 1 {\displaystyle m_{1}
on ühe objekti mass; m 2 {\displaystyle m_{2}
on teise objekti mass; ja d {\displaystyle d}
on objektide vaheline kaugus.
Seda võrrandit kasutatakse selleks, et arvutada, kuidas Maa liigub ümber Päikese ja kuidas Kuu liigub ümber Maa. Seda kasutatakse ka teiste planeetide, tähtede ja kosmoses asuvate objektide liikumise arvutamiseks.
Võrrand ütleb, et kui kaks objekti on väga rasked, siis on nende vahel tugev jõud, mis tuleneb gravitatsioonist. Kui nad on üksteisest väga kaugel, siis on jõud nõrgem.
Küsimused ja vastused
K: Mis on jõud?
A: Jõud on objektide vaheline tõuke- või tõmbejõud. See on vastastikmõju, mis tekib siis, kui üks objekt mõjub teisele ja selle toimele vastab teise objekti reaktsioon.
K: Kuidas seletab Newtoni kolmas seadus jõude?
V: Newtoni kolmas seadus sätestab, et mõju ja reaktsioon on "võrdsed ja vastandlikud" (vastanduvad). See tähendab, et kui üks objekt mõjub teisele objektile, reageerib teine objekt võrdselt, kuid vastupidiselt.
K: Milliste objektide vahel toimivad erinevad jõud?
V: Eri liiki objektide vahel toimivad erinevad jõud. Näiteks mõjub gravitatsioon selliste massiga objektide vahel nagu päike ja maa, samas kui elektromagnetiline jõud mõjub selliste laenguga objektide vahel nagu elektronid ja aatomid.
K: Kuidas muudab jõud objekti olekut?
V: Jõud muudab objekti seisundit, põhjustades selle tõukamist või tõmbamist teatavas suunas, mis muudab selle impulssi, kiirendab seda, suurendab üldist rõhku, muudab selle suunda või kuju muul viisil.
K: Kuidas mõõdetakse jõu tugevust?
V: Jõu tugevust mõõdetakse njuutonites (N).
K: Mitu põhijõudu on füüsikas olemas?
V: Füüsikas on neli fundamentaalset jõudu.
K: Millistel viisidel võivad jõud mõjutada objekte?
V: Jõud võivad mõjutada objekte, lükates neid üles, tõmmates neid alla, lükates neid kõrvale või muutes nende liikumist või kuju muul viisil.
Otsige