Was genau ist Kraft? Was ist seine Quelle oder Herkunft?

Viele Beispiele in Ihrer Frage beziehen sich auf Objekte, die beim Anhalten Kraft ausüben. Darum geht es im ersten Teil der Antwort.

1. Es gilt die Impulsgleichung Kraft x Zeit = Impulsänderung

Wo$v$ist die Endgeschwindigkeit und$u$ist die Anfangsgeschwindigkeit.

Wie Sie sehen können, beinhaltet die Impulsänderung die Masse und auch die Geschwindigkeitsänderung, sodass eine Kugel, wenn sie auf etwas trifft, eine große Kraft ausübt, aber auch der massivere Hammer, selbst wenn er sich langsamer bewegt.

Wenn Sie sich gefragt haben, wie die Kraft vom bewegten Objekt auf das auftreffende Objekt übertragen wird, ist es so: Das bewegte Objekt wird zuerst auf einer Seite gestoppt, während sich die andere Seite weiter bewegt, wodurch das bewegte Objekt gestaucht wird. Es drückt dann auf das Objekt, auf das es trifft, und versucht, sich in seine übliche Form auszudehnen.

Die Kraft, die diese Gegenstände ausüben, hängt von der Zeit ab, in der sie angehalten werden, so dass ein Hammer, der auf einer Matratze landet, im Durchschnitt weniger Kraft auf die Matratze ausübt (aber für eine längere Zeit), als wenn der Hammer gegen eine Wand schlägt.

2. Die SI-Definition des Newton, die Einheit der Kraft, ist „die Kraft, die einer Masse von einem Kilogramm eine Beschleunigung von einem Meter pro Sekunde pro Sekunde verleihen würde“, also ist sie wirklich durch das zweite Newtonsche Gesetz definiert

   $$F=ma$$

3. Es kann andere Erklärungen dafür geben, was Kraft ist, aber es wird ziemlich philosophisch, zB Kraft zu definieren, vielleicht müssen wir Trägheit und ihre Ursache definieren und verstehen, aber das wird heute noch diskutiert.

Hier gibt es viel zu entpacken, aber im Grunde sind zwei unterschiedliche Phänomene im Spiel.

1. Energie.

Nämlich kinetische Energie oder Energie, die von einem Objekt erworben wird, nur weil es sich bewegt (relativ zu einem anderen Objekt). Wenn ein Objekt der Masse$m$bewegt sich mit einer Geschwindigkeit$v$, es ist kinetische Energie$E$Ist:

Also die Energie, die ein Objekt aufgrund seiner Bewegung oder Geschwindigkeit trägt$v$wächst mit seiner Masse, aber viel schneller mit seiner Geschwindigkeit:

• Ein Objekt$10$mal massiver ($m1 = 10m$) hat bei einer gegebenen Geschwindigkeit zehnmal mehr kinetische Energie als ein Masseobjekt$m$.
• Ein Objekt, das ist$10$mal schneller ($v1 = 2 v$) hat hundertmal mehr Energie als ein Masseobjekt$m$: $$T1 = m .v1^2 = m (v.10)^2 = m. v^2 100 = 100. T$$

Deshalb ist eine Kugel schädlicher als ein Stein: Sie ist leichter, aber schneller.

Wenn ein sich bewegendes Objekt auf ein anderes Objekt trifft, bremst das getroffene Objekt es ab und bekommt dadurch einen Teil der Energie des ankommenden Objekts übertragen.

Wenn ein Objekt schwer ist und/oder sich schnell bewegt, überträgt es viel Energie auf das Objekt, das getroffen wird.

Es wird Energieübertragung genannt, die das Objekt auf der Empfängerseite beschädigt, weil sie es absorbiert.

Man könnte dasselbe auch mit Kraftbegriffen erklären (man kann zeigen, dass diese beiden Erklärungen mathematisch gesehen äquivalent sind).

Um ein Objekt zu beschleunigen, in Bewegung zu setzen oder seine Geschwindigkeit zu erhöhen, muss man eine Kraft auf es ausüben.

In Newtons Begriffen Beschleunigung ($a$), Gewalt ($f$) und Masse ($m$) hängen wie folgt zusammen:

Das Gleiche gilt für die Verzögerung (was technisch dasselbe ist wie die Beschleunigung, nur mit umgekehrtem Vorzeichen).

Mit anderen Worten, je stärker ein Objekt abgebremst wird, desto mehr Kraft wird es auf das Objekt ausüben, das es abbremst, gemäß dem obigen Newtonschen Gesetz (1).

2. Druck.

Der zweite Grund, warum eine Kugel potenziell schädlicher ist als ein Stein, ist: Kraft pro Flächeneinheit oder Druck.

Wenn ein Objekt einen Druck auf ein anderes Objekt ausübt, kann es umso weniger Energie an einem bestimmten Ort übertragen, je größer die Oberfläche ist, über die ein bestimmter Druck verteilt wird.

Eine Kugel mit der gleichen Masse und der gleichen Geschwindigkeit wie ein viel größerer Gummiball richtet beim Aufprall viel mehr Schaden an, weil ihre kinetische Energie auf eine viel kleinere Fläche übertragen wird. Das ist auch der Grund, warum ein Messer oder eine Axt scharf sein müssen, um effektiv zu sein (wenn nicht, wird die Kraft (und damit ihre Wirkung) über eine große Fläche verteilt).

Kraft ist eine Impulsänderung. Das Momentum wiederum ist eine Erhaltungsgröße, kann sich also nicht isoliert ändern. Jede Impulsänderung für ein Objekt ist mit einer gleichen und entgegengesetzten Impulsänderung für ein anderes Objekt verbunden. Mit anderen Worten, Impuls wird von einem Objekt auf ein anderes übertragen, was bedeutet, dass Kräfte paarweise auftreten.

Wenn zwei Objekte Impuls austauschen können, nennen wir das eine Wechselwirkung. Interaktionen werden typischerweise durch ein Feld und eine entsprechende „Ladung“ vermittelt. Zwei gleichartige Ladungen können einen Impuls austauschen, indem einer das Feld anregt und der andere die Anregung absorbiert.

Natürlich ist dies eine Vereinfachung und die Details können auf der Quantenebene unordentlich werden. Es gibt drei Körperinteraktionen und die Unterscheidung zwischen Feldern und Objekten wird dünn. Aber das gibt den Kern dessen, was Kräfte sind.

In Ihren Hammer- und Kugelbeispielen werden diese Wechselwirkungen durch elektromagnetische Wechselwirkungen mit sehr kurzer Reichweite vermittelt. Wir nennen solche Wechselwirkungen „Kontaktkräfte“. Wenn eine Kugel oder ein Hammer eine Kraft auf ein Ziel ausübt, nimmt der Impuls der Kugel oder des Hammers ab und der Impuls des Ziels nimmt um den gleichen Betrag zu. Der von Ihnen erwähnte Schaden ist eher auf Energie als auf Impuls zurückzuführen, aber die Übertragung von Energie ist eher Kraft (oder Arbeit) als Kraft.

Gewalt ist nicht das am einfachsten zu verstehende Konzept. Es ist wahrscheinlich besser, die verschiedenen Eigenschaften von Kraft aufzulisten, als zu versuchen, eine bissige Definition zu geben. Ich habe versucht, die Liste so zu ordnen, dass sie sich zu einem schlüssigen Gesamtkonzept von Gewalt aufbaut.

• Eine Kraft ist ein Druck oder ein Zug, der auf einen Körper wirkt. Einige werden diese Aussage als vage und tautologisch verspotten, aber zumindest schließt sie Behauptungen wie „Elektrizität ist eine Kraft“ aus.

• Eine Kraft hat sowohl eine Richtung als auch eine Größe oder Größe. Es ist eine Vektorgröße.

• Eine auf einen Körper A wirkende Kraft wird von einem anderen Körper B ausgeübt. [Ich schiebe dich, das Auto zieht den Anhänger...]

• Wir können sagen, dass es eine Wechselwirkung zwischen A und B gibt. Diese Wechselwirkung wirkt sich symmetrisch auf A und B aus. Das bedeutet, dass …

• Wenn ein Körper A eine Kraft auf einen Körper B ausübt, dann übt B eine gleiche und entgegengesetzte Kraft auf A aus (drittes Newtonsches Bewegungsgesetz).

• Es gibt verschiedene Arten der Interaktion. Die Kraft, die die Erde auf einen Apfel ausübt, und die damit einhergehende gleiche und entgegengesetzte Kraft, die der Apfel auf die Erde ausübt, sind sogenannte Gravitationskräfte. Kontaktkräfte wie die Aufwärtskraft, die der Esstisch auf die Platte ausübt, und die Abwärtskraft, die die Platte auf den Tisch ausübt, sind grundsätzlich elektromagnetisch.

• Wirken mehrere Kräfte auf einen Körper, ist die resultierende Kraft die Vektorsumme der Einzelkräfte.

• Immer wenn eine resultierende Kraft ungleich Null auf einen Körper wirkt, ändert sich die Geschwindigkeit des Körpers. Die Geschwindigkeitsänderungsrate (dh die Beschleunigung) ist proportional zur resultierenden Kraft (und umgekehrt proportional zur Masse des Körpers). In einem kohärenten Satz von Einheiten wird dies in der berühmten Gleichung verkörpert,$\textbf F = m \textbf a$. [In den meisten Fällen entspricht dies der Impulsgleichung,$m \mathbf v - m \mathbf u =\mathbf F t$.]

Betrachten wir nun den Fall Ihres geworfenen Hammers. Offensichtlich ist die Kraft, die er ausübt, nicht einfach eine Eigenschaft des Hammers, denn wenn sich der Körper, auf den ich ihn schleudere, wegbewegt, wird der Hammer weniger oder vielleicht gar keine Kraft auf ihn ausüben. Oder vielleicht ist das Ziel weich wie ein Kissen; Die Kraft wird viel kleiner sein, als wenn das Objekt starr wäre. In diesem Fall ist die Verzögerung des Hammers (Geschwindigkeitsänderungsrate) klein und$\textbf F = m \textbf a$zeigt, dass die Kraft auf das Kissen gering sein wird. Denken Sie daran, dass wir eine Wechselwirkung zwischen dem Hammer und dem Körper haben, auf den er trifft. Bei dieser Wechselwirkung übt der Hammer eine Kraft auf den Körper aus und der Körper übt eine gleiche und entgegengesetzte Kraft auf den Hammer aus.

Hoffe das hat geholfen.

Kraft kommt von Energie, über die Arbeit, die getan wird.

Es ist die Übertragung von Energie, die wir normalerweise nicht sehen und nicht genau wissen, was "Energie" ist, sondern nur ihre Auswirkungen auf andere Dinge beobachten.

Einen dieser Effekte nennen wir Kraft. Andere können "Wärmeübertragung" sein.

Wenn die Energieübertragung einen Schwellenwert erreicht, können wir eine Veränderung beobachten, oft beschreiben wir einige dieser Übertragungen als Kraft; wie physikalische Kraft (die normalerweise von Elastizität begleitet wird), elektromagnetisch/magnetisch, Gravitation.

Wenn Sie einen Geistesspinner wollen. Fragen Sie, woher die Kraft kommt, wenn zwei Magnete, die auf unterschiedlichen Höhen, aber nahe beieinander gehalten und zunächst (t = 0) gehalten werden, mit derselben Polfläche (z. B. N zu N) und dann auf eine ebene Oberfläche abgesenkt werden. Dann (t = 2) werden die Beschränkungen entfernt. Die Magnete haben dann die Freiheit, sich von der magnetischen Kraft, die aufeinander ausgeübt wird, zu bewegen. Man kann beobachten, wie sie sich voneinander wegbeschleunigen – aber woher kam die Kraft? Wenn wir einen Magneten gegen einen anderen schieben, bewegen sie sich aufgrund unserer Energie- und Kraftzufuhr. Aber woher kam die ursprüngliche magnetische Kraft bei (t=2) - und woher kam die Kraft/Energie zu allen anderen Zeiten (t=all), wo das Magnetfeld kontinuierlich läuft.....

Woher bekommen Objekte konkret die Fähigkeit/Fähigkeit, Kraft auszuüben?

Gegenstände erlangen die Fähigkeit, Kraft auszuüben, durch menschliches Wissen.

Warte was?!

Im Universum bewegen sich viele Objekte. Als Beobachter dieser Objekte können Sie sich ein Lineal und eine Uhr schnappen und mit der Aufzeichnung ihrer Flugbahnen beginnen . Mit ein wenig Kalkül können Sie aus dieser Flugbahn die Geschwindigkeit und Beschleunigung eines Objekts berechnen .

Manchmal ist der Wert dieser Beschleunigung unerklärlich: Lege ich ein Stück Metall auf meinen Schreibtisch und wedele mit einem anderen darüber, springt mir das erste Stück Metall in die Hand. Andererseits sind einige vorhersehbarer (ich lasse einen Apfel los; er fällt). Wir nennen die Beschleunigungen, die wir verstehen, "Kräfte" und die, die wir nicht kennen, "neue Physik". Newtons erstes Postulat ("es existiert ein Trägheitsbezugssystem") besagt, dass alle Beschleunigungen verstanden werden können, wenn wir hart genug arbeiten. Bisher schien es zu stimmen.

OK, aber Kraft hat andere Einheiten als Beschleunigung.

Wie können Sie sicher sein, dass Sie eine Kraft verstehen? Reicht es, einfach aufzuschreiben, welche Werte es zu welchen Zeiten hat? (Nein: Sie haben nur Ihre Beobachtungen zusammengefasst und nicht wirklich etwas gelernt.)

Newtons drittes Postulat besagt, dass Kräfte paarweise auftreten und auf verschiedene Objekte einwirken; Sie wissen, dass Sie eine Kraft verstehen, wenn Sie das entsprechende Paar identifizieren können. Aber das Seltsame an Newtons drittem Gesetz ist, dass die entsprechenden Beschleunigungen eines Kräftepaares nicht gleich sind. Woher wissen wir also, wann wir sie identifiziert haben?

Nun, jedes Objekt hat eine bestimmte Masse , die sich zeitlich nicht ändert (es sei denn, das Objekt selbst ändert sich ), und das Produkt der Beschleunigungen und Massen für entsprechende Paare ist gleich. (Das ist Newtons zweites Postulat .) Also könnten wir dieses Erhaltungsprodukt genauso gut einfach die „Größe“ der Kraft nennen (und das erweist sich tatsächlich als eine fruchtbare Wahl).