Какова связь между Силой, Физической Силой, Энергией и Работой?

Мы должны говорить о физической силе в последнюю очередь по двум причинам: (1) сначала мы должны четко определить другие физические термины, и (2) физическая сила приводит нас к биофизике, поэтому нам придется поговорить о том, как мышцы генерируют силу, и т. д.

«Сила» — это толчок, тяга или скручивание (если скручивание, то его еще называют «крутящим моментом»). Сила — это то, что требуется для ускорения (изменения скорости или направления) любого объекта.

В физике Энергия и Работа — более или менее одно и то же, конвертируемое друг в друга. Работа определяется как Сила, умноженная на Расстояние, на котором эта сила была приложена. Так, например, если тяжелый шар (например, шар для боулинга) не движется. И вы толкаете его с определенной силой на определенное расстояние, вы заставляете его катиться. Вы проделали работу «Сила умножить на расстояние» над этим мячом, чтобы заставить его катиться. Он продолжает катиться и теперь катится с количеством Энергии, равным той работе, которую вы совершили над ним. Конечно, даже у шара для боулинга есть некоторое трение между шаром и землей. Это трение также действует на мяч, постепенно замедляя его. Количество работы, которую трение должно совершить над шариком, чтобы полностью остановить его, в точности равно количеству работы, первоначально выполненной над шариком.

Надеюсь, это поможет вам составить представление. Обобщить:

Работа = Энергия = Сила х Расстояние

Или Сила = Энергия/Расстояние.

Что касается последнего уравнения, подумайте об этом следующим образом: при заданном количестве энергии, с которой катится шар для боулинга, чем большую силу вы приложите к шару, тем меньше расстояние, на котором вы сможете остановить его.

Теперь, чтобы понять физическую силу, мы должны сначала понять, как работают мышцы. Это будет очень рудиментарное, упрощенное описание: мышцы состоят из волокон, состоящих из нитей мышечных клеток. Каждая мышечная клетка имеет свойство сокращаться. Сокращение мышц — это, по сути, сила, приложенная на расстоянии (то есть работа или энергия). Однако сила и расстояние, задействованные для одной мышечной клетки, очень малы. Энергия, необходимая для создания этого клеточного движения, возникает в результате потока или движения ионов или электрического заряда, мало чем отличающегося от воды, падающей с водопада. Ионы проходят через определенные «отверстия» или «ворота» в клеточной мембране, когда они открываются. Однако, как только ионы проходят, нам нужно каким-то образом вернуть ионы на другую сторону, чтобы они снова могли пройти. Это делается определенными типами белковых молекул, которые воздействуют на ионы и перекачивают их обратно на другую сторону мембраны мышечной клетки. Итак, вы видите, что на клеточном и молекулярном (химическом) уровне происходит большая работа (Сила умножается на Расстояние). Силы, создаваемые одним ионом и даже одной мышечной клеткой, через которую проходят миллионы ионов, очень малы. Однако когда миллионы мышечных клеток сокращаются одновременно, они вместе могут генерировать значительную силу (достаточную, чтобы сдвинуть шар для боулинга и многое другое!) и даже одной мышечной клеткой, через которую проходят миллионы ионов, очень мало. Однако когда миллионы мышечных клеток сокращаются одновременно, они вместе могут генерировать значительную силу (достаточную, чтобы сдвинуть шар для боулинга и многое другое!) и даже одной мышечной клеткой, через которую проходят миллионы ионов, очень мало. Однако когда миллионы мышечных клеток сокращаются одновременно, они вместе могут генерировать значительную силу (достаточную, чтобы сдвинуть шар для боулинга и многое другое!)

Теперь мы можем говорить в общем и очень упрощенном виде о силе. Давайте определим для нашего обсуждения «силу» как «количество силы», которую способна генерировать данная мышца. Учитывая приведенное выше описание мышц, должно быть ясно, что большее количество клеток, работающих вместе, должно быть способно генерировать большую силу, во многом так же, как десять человек, толкая вместе, могут генерировать больше силы для толкания автомобиля, чем два или три человека, толкающие вместе. . Большая мышца имеет больше клеток, чем меньшая мышца, и поэтому она обладает большей «физической силой». Надеюсь, это поможет.

Что касается вашего комментария

«Значит ли это, что если у меня больше Физической Силы или больше Энергии, или я выполняю больше работы, то сила будет выше, или я могу генерировать более высокую силу, и наоборот?»

Чтобы уточнить:
как я определил, «Физическая сила» означает, что вы можете генерировать больше «Силы».

Однако тут много факторов. Во-первых, помните, что Энергия равна Силе, умноженной на Расстояние. Если у вас большие мышцы, вы можете генерировать большую силу, но это ничего не говорит о расстоянии, на котором вы можете генерировать эту силу; то есть у вас может быть только ограниченное количество энергии для создания этой силы. Если вы не ели какое-то время, вы можете «почувствовать» слабость, нехватку энергии для создания этой Силы в течение длительного времени или на большом расстоянии.

Давайте посмотрим, откуда исходит эта сила. Сила, генерируемая вашими мышцами, исходит из биохимических реакций в ваших мышечных клетках, которые в конечном итоге используют химическую энергию из пищи, которую вы едите. Большие мышцы, т.е. большее количество мышечных клеток, могут генерировать больше силы, но они потребляют больше энергии, генерируя эту силу, просто потому, что их больше. Подумайте об этом так: десять человек, толкая друг друга, могут генерировать больше силы, чтобы толкать машину, но вам придется кормить обедом всех десять из них. Толкание автомобиля на определенное расстояние, скажем, 50 футов, с большей силой (десять человек) требует больше энергии, чем толкание его с меньшей силой (Энергия = Сила, умноженная на Расстояние; меньшая сила для того же расстояния означает меньше энергии). Точно так же большая мышца может генерировать большую силу.

Сила, энергия и работа — это всего лишь разные способы описания движения.

Энергия (точнее, кинетическая энергия) является мерой того, насколько быстро движется объект. Если объект имеет ненулевую скорость, он по определению обладает энергией.

Сила — это мера того, насколько быстро изменяется скорость движения объекта. Если скорость объекта изменяется, на него по определению действует сила.

Работа — это мера того, сколько силы вы используете для перемещения объекта. Если объект движется под действием силы, то по определению над ним совершается работа.

Когда вы хотите переместить что-то быстрее (или более массивное), вы можете сказать что-то из следующего: «этому нужно больше энергии» / «к нему нужно приложить больше силы» / «над этим нужно проделать больше работы». И да, если вы делаете это вручную, вы также можете сказать «для перемещения требуется больше физической силы».

Сила

Склонность что-то ускорять. Второй закон Ньютона:

$$\sum \vec F=m\vec a$$

Физическая сила

Могут быть разные вещи. Например

• твердость$H$: стойкость материалов к «ударам» и вмятинам на поверхности,
• предел текучести$\sigma_y$: напряжение, которое материал может выдержать до того, как начнет деформироваться
• предельное растягивающее напряжение$\sigma_{max}$: максимальное напряжение, которое может выдержать материал, после которого разрушение почти неизбежно
• и т. д.

Большинство из них в той или иной степени относятся к области. Таким образом, обычно прочность является не более чем верхним пределом силы до того, как в материале произойдет какое-либо нежелательное изменение.

Энергия

Может пониматься как число, говорящее о вероятности приложения силы. Есть много видов, например

• Кинетическая энергия$K=\frac{1}{2}mv^2$: Энергия движения
• Потенциальная энергия$U$: Накопленная энергия, которая при высвобождении может заставить что-то двигаться.
• Тепловая энергия: молекулярная версия кинетической энергии
• Внутренняя энергия$U$: Другой вид накопленной энергии - в данном случае в форме молекулярных связей, например (но также кинетическая энергия, тепловая энергия и т.д.).

Работа

Работа является своего рода передачей энергии . Существует два основных вида:

• Работа$W$: Энергия передается чем-то, что двигает что-то другое.
• Нагревать$Q$: Энергия, передаваемая чем-то, нагревает что-то другое.

Тело не содержит работы, так же как оно содержит кинетическую энергию. Например, работа — это просто название , данное энергии в пути — передаваемой энергии.

$$W=Fx$$

Только сила может совершать работу. А мы это только работой называем, это что-то сдвинулось($x$это смещение)

означает ли применение большей силы, что требуется больше физической силы, энергии и работы?

Больше силы означает более высокую склонность чего-либо к движению.

• Да , если вы нажимаете на поверхность материала, то для этого требуется большая сила, чтобы предотвратить движение частиц поверхности и деформацию материала.
• Нет , большая сила не означает больше энергии. Нажмите сильнее вниз на землю, и нормальная сила также возрастет, чтобы выдержать ваш толчок. В этой системе энергия не накапливается.
• Нет , работа присутствует только тогда, когда что-то перемещается. Давите сильно на стену, и никакая работа не будет сделана независимо от ваших усилий.

Скажем, если человеку нужно передвинуть тяжелый предмет. Так как же Сила, Физическая Сила, Энергия и Работа будут связаны друг с другом?

Если предмет тяжелый, он имеет большой вес$w$из-за гравитации.

• Чтобы его поднять, необходимо приложить большую силу $F$. Из 2-го закона Ньютона выше, поскольку вы хотите, чтобы он ускорялся вверх (вам нужно ненулевое$a$), общая сумма сил (результирующая сила) должна быть направлена ​​вверх. Так$F$точка вверх должна быть больше, чем$w$направлен вниз, так что$\sum F=F-w=ma$положительный.

• Физическая сила здесь не при чем. Вы не пытаетесь деформировать объект. Если, с другой стороны, в этом случае физическая сила означает, насколько силен человек (что является скорее физиологическим/биологическим, чем физическим термином), то, конечно, физическая сила должна быть достаточно большой, чтобы позволить человеку применить необходимую силу.$F$. Физическая сила — это просто верхний предел, поэтому любая сила, которую необходимо приложить, должна быть ниже этого предела.

• Вы должны добавить энергию в эту систему, чтобы переместить объект выше. Это называется гравитационной потенциальной энергией$U_g=mgh$и зависит от высоты$h$, вы хотите поднять его.

• ...и эту энергию надо добавить в виде работы$W=Fh$, где перемещение в этом случае равно$x=h$.

... чтобы переместить объект быстрее?

Когда энергия должна быть применена быстрее , мы можем рассмотреть либо

• ускорение$a$во втором законе Ньютона$\sum F=ma$, который должен быть больше. Это также требует большей силы.
• Или мы можем посмотреть на мощность $P=W/t$. Мощность — это работа за время, то есть работа, выполненная за время.$t$. Хотите, чтобы работа (подъем) была сделана быстрее, вам не нужно добавлять больше энергии, вам просто нужно добавить ее быстрее. Мы можем поставить выражение работы$W=Fx$в эту формулу:

$$P=\frac{W}{t}=\frac{Fx}{t}$$

Вы хотите, чтобы подъем был выполнен быстрее, тогда$t$меньше. Это повышает мощность$P$это требуется. И для того, чтобы$P$увеличивать,$F$должен увеличиваться. Так же, как сказал 2-й Ньютон.