Các lực khác Lực

Một số lực là hệ quả của các lực cơ bản. Trong các tình huống như vậy, những mô hình lý tưởng có thể được sử dụng để hiểu rõ những quy luật vật lý.

Lực pháp tuyến

FN đại diện cho lực pháp tuyến tác động lên đối tượng.
Bài chi tiết: Lực pháp tuyến

Lực pháp tuyến là do lực đẩy của tương tác giữa các nguyên tử tại bề mặt tiếp xúc. Khi các đám mây electron xếp đan xen nhau, nguyên lý loại trừ Pauli (do bản chất hạt fermion của electron) làm nảy sinh lực đẩy tác dụng theo hướng vuông góc với bề mặt tiếp xúc giữa hai vật.[14]:93 Ví dụ, lực pháp tuyến cản trở không cho chiếc bàn bị thụt xuống sàn nhà. Ngoài ra lực pháp tuyến xuất hiện khi có một lực tác động va vào một bề mặt không chuyển động được.[1][3]

Ma sát

Bài chi tiết: Ma sát

Ma sát là lực bề mặt chống lại xu hướng chuyển động tương đối giữa hai vị trí bề mặt. Lực ma sát tỷ lệ trực tiếp với lực pháp tuyến giữ cho hai vật rắn tách rời nhau ở những điểm tiếp xúc. Lực ma sát được phân loại thành hai loại lực: ma sát tĩnhma sát động.

Lực ma sát tĩnh ( F s f {\displaystyle F_{\mathrm {sf} }} ) sẽ bằng và ngược hướng với lực tác dụng song song với bề mặt tiếp xúc cho tới một giới hạn xác định bởi hệ số ma sát tĩnh ( μ s f {\displaystyle \mu _{\mathrm {sf} }} ) nhân với lực pháp tuyến ( F N {\displaystyle F_{N}} ). Hay nói cách khác độ lớn của ma sát tĩnh thỏa mãn bất đẳng thức:

0 ≤ F s f ≤ μ s f F N {\displaystyle 0\leq F_{\mathrm {sf} }\leq \mu _{\mathrm {sf} }F_{\mathrm {N} }} .

Ma sát động ( F k f {\displaystyle F_{\mathrm {kf} }} ) độc lập với cả lực tác dụng và sự chuyển động của vật. Do vậy độ lớn của lực ma sát động bằng:

F k f = μ k f F N {\displaystyle F_{\mathrm {kf} }=\mu _{\mathrm {kf} }F_{\mathrm {N} }} ,

với μ k f {\displaystyle \mu _{\mathrm {kf} }} là hệ số ma sát động. Đối với hầu hết các bề mặt tiếp xúc, hệ số ma sát động nhỏ hơn hệ số ma sát tĩnh.

Sức căng

Bài chi tiết: Sức căng

Lực căng được mô hình hóa bằng những dây lý tưởng không có khối lượng, không gây ma sát, không thể phá vỡ được và không bị kéo giãn. Chúng có thể kết hợp với các ròng rọc lý tưởng cho phép các dây lý tưởng chuyển đổi hướng lực tác dụng. Các dây lý tưởng truyền lực căng một cách tức thời trong cặp tác dụng-phản tác dụng sao cho nếu hai vật nối với nhau bởi một dây lý tưởng, bất kỳ lực nào hướng dọc theo dây gây nên bởi vật thứ nhất được kết hợp với một lực hướng dọc theo dây theo hướng ngược lại gây bởi vật thứ hai.[36] Bằng cách nối những dây lý tưởng tương tự đối với cùng những vật như thế theo một cấu hình với các ròng rọc, lực căng của dây lên tải trọng có thể được tăng gấp bội cho phép ròng rọc có thể nâng được vật khối lượng lớn. Tuy nhiên, trong những cỗ máy đơn giản như ròng rọc, việc lợi về lực thì lại tương ứng với thiệt về quãng đường cần kéo dây để có thể di chuyển tải trọng. Quy luật này chính là hệ quả của định luật bảo toàn năng lượng do công tác dụng lên tải trọng là như nhau cho dù các cỗ máy có hoạt động theo cách nào đi chăng nữa.[1][3][37]

Lực đàn hồi

Fk là lực đáp ứng lại tải trọng tác dụng lên lò xo.

Lực đàn hồi tác dụng lên lò xo khiến nó khôi phục lại trạng thái ban đầu. Một lò xo lý tưởng được coi là không có khối lượng, không có ma sát, không bị đứt gãy, và có thể dãn vô hạn. Những lò xo này tác dụng lực đẩy khi chúng bị nén ngắn lại, hoặc lực kéo khi bị kéo dài, lực này tỉ lệ với độ dịch chuyển của lò xo từ vị trí cân bằng của nó.[38] Robert Hooke đã miêu tả mối quan hệ tuyến tính này vào năm 1676 bởi định luật mang tên ông là định luật Hooke. Nếu Δ x {\displaystyle \Delta x} là độ dịch chuyển, lực tác dụng bởi lò xo lý tưởng sẽ bằng:

F → = − k Δ x → {\displaystyle {\vec {F}}=-k\Delta {\vec {x}}}

với k {\displaystyle k} là hằng số phụ thuộc vào từng loại lò xo. Dấu trừ thể hiện cho xu hướng của lực tác dụng theo hướng ngược lại khi có ngoại lực tác dụng lên lò xo.[1][3]

Cơ học môi trường liên tục

Khi lực cản ( F d {\displaystyle F_{d}} ) là tổng hợp lực của sức cản không khí có độ lớn bằng trọng lượng của vật rơi ( F g {\displaystyle F_{g}} ), lúc này vật đạt đến trạng thái cân bằng động hay vận tốc cuối cùng.
Bài chi tiết: Áp suất, Lực cản, và Ứng suất

Cơ học và các định luật Newton lúc đầu được phát biểu trong trường hợp lực tác dụng lên các hạt điểm lý tưởng hơn là các vật thể hình học ba chiều. Tuy vậy trong thực tế, các lực tác dụng lên một vị trí của vật thể và có thể coi là ảnh hưởng đến những phần khác của vật. Trong trường hợp khi các dàn tinh thể nguyên tử trong một vật hành xử theo cách có thể chảy được, co lại, nở ra hoặc thay đổi hình dạng, lý thuyết cơ học môi trường liên tục miêu tả lực tác dụng lên vật thể và những hệ quả đối với cấu trúc bên trong của vật. Ví dụ, trong cơ học chất lỏng, sự chênh lệch áp suất hình thành lên lực theo hướng của gradient áp suất như sau:

F → V = − ∇ → P {\displaystyle {\frac {\vec {F}}{V}}=-{\vec {\nabla }}P}

với V {\displaystyle V} là thể tích vật chiếm chỗ trong chất lỏng và P {\displaystyle P} là hàm vô hướng miêu tả áp suất tại mọi vị trí trong không gian. Gradient áp suất và sự chênh lệch áp suất là nguyên nhân của lực đẩy nổi đối với vật trong chất lỏng dưới tác dụng của trường hấp dẫn, gió trong khoa học khí quyển, và lực nâng trong khí động lực học và nghiên cứu chuyển động bay.[1][3]

Một ví dụ cụ thể của những loại lực này là áp suất động lực của sức cản chất lỏng: một vật chuyển động trong môi trường chất lỏng bị một lực cản gây bởi tính nhớt của chất lỏng đó. Lực cản Stokes tỷ lệ xấp xỉ với vận tốc của vật và có hướng ngược lại:

F → d = − b v → {\displaystyle {\vec {F}}_{\mathrm {d} }=-b{\vec {v}}\,}

với:

b {\displaystyle b} là hằng số phụ thuộc vào tính chất của chất lỏng và hình học của vật thể (thường là tiết diện của vật thể), và v → {\displaystyle \scriptstyle {\vec {v}}} là vận tốc của vật.[1][3]

Một các trừu tượng hơn, lực trong cơ học môi trường liên tục được miêu tả đầy đủ bởi tenxơ ứng suất được định nghĩa là

σ = F A {\displaystyle \sigma ={\frac {F}{A}}}

với A {\displaystyle A} là diện tích tiết diện tương ứng cho thể tích mà tenxơ ứng suất đang cần tính. Tenxơ này bao gồm thành phần áp suất gắn liền với lực tác dụng vuông góc với mặt cắt tiết diện (ma trận chéo của tenxơ) cũng như thành phần ứng suất cắt gắn liền với lực tác dụng theo hướng song song với mặt cắt tiết diện (các thành phần không thuộc đường chéo của biểu diễn ma trận tenxơ). Tenxơ ứng suất cũng miêu tả các lực gây ra sự biến dạng của vật thể như lực nén và lực kéo.[4][32]:38-1–38-11[39]:133-134

Giả lực

Bài chi tiết: Giả lực

Có những loại lực mà giá trị và hướng phụ thuộc vào hệ quy chiếu, có nghĩa là chúng xuất hiện khi sử dụng những hệ quy chiếu phi Newton (hay hệ quy chiếu phi quán tính). Những lực này bao gồm lực hướng tâmlực Coriolis.[40] Những lực này được coi là giả lực do chúng không tồn tại trong hệ quy chiếu đang không bị gia tốc.[1][3]

Trong thuyết tương đối rộng, lực hấp dẫn trở thành giả lực khi nó xuất hiện trong những tình huống khi không thời gian được coi là không gian cong hơn là không gian phẳng.

Tài liệu tham khảo

WikiPedia: Lực http://www.anu.edu.au/Physics/Searle/Obsolete/Semi... http://eta.physics.uoguelph.ca/tutorials/fbd/intro... http://www.algorithm.com/inwit/writings/coriolisfo... http://www.britannica.com/EBchecked/topic/213059 http://books.google.com/?id=CQNE13opFucC http://books.google.com/books?id=CQNE13opFucC&pg=P... http://www.nature.com/nature/journal/v208/n5007/ab... http://www.physicspost.com/science-article-168.htm... http://aleph.nkp.cz/F/?func=find-c&local_base=aut&... http://www.lorenz-messtechnik.de/english/company/f...