כוחות (חלק I)

כוח - מידת האינטראקציה של הגופים

מניסיון אנו יודעים כי כל הגופים בטבע בצורה כזאת או אחרת נמצאים באינטראקציה זה עם האחר. כך למשל, כוחות משיכה מחזיקים את כדור הארץ במסלול סביב השמש או את הירח סביב כדור הארץ; כוחות אינטראקציה הפועלים בין חלקים שונים המרכיבים את האטום לא מאפשרים לפרק אותו בקלות; כוחות אינטראקציה בין הרצפה לבין הרגליים של אדם במעלית גורמים לו לעלות או לרדת יחד עם המעלית.

כוח הינו מידה כמותית המאפיינת אינטראקציה בין גופים או בין חלקיקים המרכיבים את הגופים.

מושג הכוח במקור נוצר מתוך ניסיון להעריך לחץ המופעל על ידי שרירים בפעולות שונות יומיומיות. בכדי להזיז סירה או לזרוק אבן, נדרש איזשהו מאמץ של שרירים המשתנה ממקרה למקרה. שיעור המאמץ הזה אפיין את הכוח.

בפיזיקה מודרנית מבדילים בין הסוגים הבאים של אינטראקציות:

• גרביטציונית, הנוצרת בין גופים בעלי מסה והנובעת מחוק המשיכה העולמי
• אלקטרומגנטית, הנוצרת בין גופים או חלקיקים נייחים או נעים הטעונים במטענים חשמליים
• גרעינית חזקה, המשמשת בתור מידת אינטראקציה בין חלקים המרכיבים את הגרעין הנמצא באטום
• גרעינית חלשה, הגורמת להתפרקותם של חלקיקים אלמנטריים שונים

במכניקה דנים בכוחות הנוצרים ממגע ישיר בין גופים, כמו כוחות חיכוך וכוחות אלסטיים, והן בכוח המשיכה שלא דורש מגע ישיר. 

התוצאה של אינטראקציה בין גופים היא במקרים מסויימים עיוות (שינוי מימדים או צורה של גוף), או תאוצה (שינוי גודל או כיוון של מהירות). כמובן ישנם מקרים בהם שתי התופעות מתרחשות בעת ובעונה אחת.

כל תופעה כזאת מאפשרת לנו למדוד את הכוח עצמו. בדרך כלל, הרבה יותר נוח למדוד את מידת העיוות של גוף מאשר את התאוצה שלו. לכן הרכיב המרכזי במכשיר הנפוץ למדידת כוח - דינמומטר (מיוונית dynamis - כוח) - הינו קפיץ, אשר מידת העיוות (התארכות או התכווצות) שלו, תלוייה בכוח המופעל עליו.

דפורמציות אלסטיות ופלסטיות

דפורמציה של גוף נקראת אלסטית, אם לאחר הסרת הלחץ המימדים וצורת הגוף חוזרים למצבם ההתחלתי.

דפורמציה פלסטית הינה דפורמציה אשר כתוצאה ממנה השינויים שחלו בצורה או במימדי הגוף נשמרים, כלומר הגוף לא חוזר לצורתו המקורית גם לאחר הפסקת פעולת הכוח. בדפורמציה מסוג זה, הגוף שומר חלקית או באופן מלא את צורתו החדשה ואת מימדיו החדשים.

קירות, גשרים, קורות צריכים להיות אלסטיים במידה מסוימת על מנת שהכוחות הפועלים עליהם לא ישנו את מצבם באופן ניכר. לעומת זאת, כאשר מעבדים חומרים (חישול, טביעה וכדומה), החומר נתון לדפורמציה פלסטית כאשר התכלית היא שהגוף ישמור את הצורה החדשה שלו לאחר העיבוד.

אופי העיוות תלוי גם בגודל ובאריכות פעולה של הכוחות הפועלים על הגוף, בסוג החומר ממנו עשוי הגוף ובמצב הגוף (הטמפרטורה במצב ההתחלתי).

לדוגמה, אם נכופף לוחית העשויה מפלדה ומיד נשחרר אותה, היא תחזור למצבה המקורי, כלומר מדובר כאן בדפורמציה אלסטית. אולם אם לאחר הכיפוף אנו נחזיק את הלוחית במצב מכופף זמן מה, לאחר השחרור היא כבר לא תתיישר לגמרי. כאשר מאריכים את זמן הפעולה של כוח, דפורמציה אלסטית הופכת לדפורמציה פלסטית.

השפעת הטמפרטורה חשובה לא פחות. לוחית פלדה הלוהטת בלהט צהוב (כאלף מעלות צלזיוס), הופכת לפלסטית (מבחינת דפורמציה) כאשר הכוחות הפועלים עליה לא גדולים מדי. בטמפרטורת החדר, אותם הכוחות, מסוגלים לגרום רק לעיוותים אלסטיים לאותה הלוחית. אך עופרת למשל, אשר די פלסטית בטמפרטורת החדר, הופכת לאלסטית בטמפרטורות נמוכות. פעמון העשוי מעופרת, המקורר באמצעות חמצן נוזלי, משמיע צליל צלול, וזה מעיד על הדפורמציות האלסטיות שמתרחשות בו.

אנו רואים כי אין גבול ברור בין דפורמציות אלסטיות לבין דפורמציות פלסטיות. אולם, ניסויים מראים כי ניתן להתייחס אל דפורמציות קטנות ורגעיות כאל דפורמציות אלסטיות.

מניסיון ידוע כי על מנת לגרום לדפורמציה רבה יותר, יש להתאמץ יותר. כלומר לפי גודל העיוות ניתן להעריך בצורה כזאת או אחרת את גודל הכוח. ניסויים מראים כי הגודל האבסולוטי של דפורמציה אלסטית נמצא ביחס ישר לכוח המופעל. הטענה הזאת מהווה בסיס לחוק הידוע בתור חוק הוק:

$$F=k(l-l_0)=k \Delta l$$

כאשר $F$ - הכוח החיצוני הפועל על הגוף, $l_0$ - האורך ההתחלתי של הגוף, $l$ - האורך הסופי של הגוף המעוות ו-$k$ - מקדם הפרופורציה, הנקרא גם קשיחות (קודם לכן הוא נקרא מקדם האלסטיות).

מחוק הוק נובע כי הסקלה של הדינמומטר צירכה להיות אחידה. זה מקל באופן משמעותי על הכיול שלו.

המשך לחלק II