2. Forta
• În fizică, o for ă este o mărime fizică care exprimă cantitativ o ac iune ce ț ț
determină la un obiect cu masă o modificare de viteză, de direc ie, sau de ț
formă (aspect).[ For a este o mărime vectorială ce are atât modul (valoare ț
scalară sau intensitate) cât i direc ie.ș ț
• Mărimea for ă este un concept primar .Are ca bază senzorială senza ia ț ț
de contrac ie musculară . Ca orice concept primar nu se define te in raport cu ț ș
alte no iuni mai generale ci se descrie prin efectele produse.ț
• For ele ce ac ionează asupra obiectelor tridimensionale le pot determina pe ț ț
acestea să se i rotească sau să se deformeze, sau pot cauza o schimbare ș
a presiunii. Tendin a unei for e de a cauza modificare vitezei de rota ie în jurul ț ț ț
unei axe se nume te moment. Deformarea i presiunea sunt rezultatele for elor ș ș ț
de tensiune din cadrul unui obiect.
• A doua lege a lui Newton afirmă că un obiect cu masă constantă va fi accelerat
propor ional cu for a rezultantă ce ac ionează asupra sa i invers propor ional ț ț ț ș ț
cu masa sa. Echivalent, for a rezultantă ce ac ionează asupra unui obiect este ț ț
egală cu viteza cu care i se modifică impulsul. Cu alte cuvinte, for a rezultantă ț
ce ac ionează la un moment dat asupra unui corp este derivata temporală a ț
impulsului.
• Din antichitate, oamenii de tiin ă au folosit conceptul de for ă în studiul ș ț ț
obiectelor sta ionare i în mi care.ț ș ș
3. Scurt istoric al conceptului
• Studiul for elor a progresat odată cu descrierile date de filozoful Arhimede în ț
secolul al III-lea î.e.n., privind interac iunea for elor în mecanisme ț ț
simple. Înainte de aceasta, descrierea for elor de către Aristotel con inea unele ț ț
gre eli i neîn elegeri fundamentale. În secolul al XVII-lea, Sir Issac Newton a ș ș ț
corectat aceste gre eli i a enun at o teorie ce a rămas neschimbată timp de ș ș ț
aproape trei sute de ani. La începutul secolului al XX-lea, Einstein, în teoria
relativită ii generale, a prezis cu succes e ecul modelului lui Newton pentru ț ș
gravita ie, lansând conceptul de continuum spa iu-timp.ț ț
• Teoria mai recentă cunoscută sub numele de Modelul Standard din fizica
particulelor asociază for e la nivelul mecanicii cuantice. Modelul Standard ț
prezice că unele particule de schimb sunt mijlocul fundamental prin care sunt
emise i absorbite for ele. Sunt cunoscute doar patru interac iuni principale ș ț ț
generatoare de for e: tare, electromagnetică, slabă, ț
i gravitatională. Observa iile din fizica particulelor de energii înalte, efectuate ș ț
în anii 1970 i 1980 au confirmat că for ele slabe i cele electromagnetice sunt ș ț ș
de fapt expresia aceleia i interac iuni fundamentale.În sistemul interna ional, ș ț ț
for a se măsoară în newtoni, dar alte sisteme de unită i de măsură definesc i ț ț ș
alte unită i, dintre care multe sunt în strânsă legătură cu unită ile de măsură ț ț
pentru masă
4. Concepte
prenewtoniene
• Aristotel a furnizat o discu ie filozofică despre conceptul de for ă ca parte ț ț
integrantă a cosmologiei aristoteliene. În viziunea lui Aristotel, lumea naturală
avea patru elemente ce existau în anumite „stări naturale”. Aristotel credea că
starea naturală a obiectelor cu masă pe Pământ, cum ar fi elementele apă i ș
pământ, era cea de repaus pe pământ i că ele tindeau spre acea stare dacă ș
erau lăsate libere. El făcea distinc ia între tendin a intrinsecă a obiectelor de a-ț ț
i găsi „locul natural” (adică tendin a corpurilor grele de a cădea), ceea ce l-a ș ț
condus la no iunea de mi care ț ș naturală, i mi care ș ș nenaturală sau for atăț , care
necesita aplicarea unei for e.Această teorie, bazată pe experien a cotidiană a ț ț
mi cării obiectelor, cum ar fi aplicarea constantă a unei for e pentru deplasarea ș ț
unui car, avea probleme conceptuale în a explica comportamentul proiectilelor,
cum ar fi săge ile. For ele erau aplicate proiectilelor doar la începutul zborului, ț ț
i în timp ce proiectilul se deplasa prin aer, nu ac iona asupra lui nicio for ă ș ț ț
observabilă. Aristotel era con tient de această problemă i a propus ideea că ș ș
aerul dislocat din calea proiectilului dădea for a necesară continuării mi cării ț ș
acestuia. Această explica ie implică faptul că aerul este necesar pentru ț
deplasarea proiectilelor i că, de exemplu, în vid, niciun proiectil nu se mai ș
mi că după ce a fost propulsat ini ial. Altă problemă cu această explica ie este ș ț ț
i că aerul opune rezisten ă mi cării proiectilelor.ș ț ș
5. Concepte
prenewtoniene
• Din antichitate, conceptul de for ă a fost recunoscut ca făcând parte ț
din func ionarea tuturor mecanismelor simple. Avantajul mecanic dat ț
de un mecanism simplu permitea utilizarea unei for e mici pentru a ț
ob ine o for ă mare la o distan ă mare. Analiza caracteristicilor ț ț ț
for elor a culminat cu studiile lui Arhimede care a devenit celebru ț
pentru formularea unor concepte legate de flotabilitatea în fluide.
• Aceste neajunsuri nu au fost complet explicate i corectate până în ș
secolul al XVII-lea, la Galileo Galilei, care a fost influen at de ideea ț
medievală târzie că obiectele aflate în mi care for ată ar transporta o ș ț
for ă intrinsecă. Galileo a construit un experiment în care pietre i ț ș
ghiulele erau rostogolite pe un plan înclinat, pentru a contrazice teoria
aristoteliană a mi cării. El a arătat că corpurile sunt accelerate de ș
gravita ie independent de masa lor i a sus inut că obiectele î i ț ș ț ș
păstrează viteza dacă nu se ac ionează asupra lor cu o for ă, de ț ț
exemplu cu for a de frecare.ț
6. Mecanica Newtoniana
• Sir Issac Newton a căutat să descrie mi carea tuturorș
obiectelor folosind conceptele de iner ie i for ă, i aț ș ț ș
găsit că ele se supun unor legi de conservare. În 1687,
Newton i-a publicat lucrareaș Philosophiae Naturalis
Principia Mathematica(Principiile matematice ale
filozofiei naturale).În această lucrare, Newton a enun atț
trei legi ale mi cării, legi care până astăzi sunt folositeș
pentru a descrie ac iunea for elor.Defini ia generală aț ț ț
for ei poate fi găsită în legea a doua a lui Newton i esteț ș
egală cu viteza de modificare a impulsului:
.
7. Prima lege a lui Newton
• Prima lege a mi cării a lui Newton afirmă că obiectele continuă să se deplaseze cu vitezăș
constantă dacă nu se ac ionează asupra lor cu o for ă externă rezultantă nenulă.Aceastăț ț
lege este o extensie a observa iilor lui Galilei că viteza constantă este asociată cu lipsaț
unei for e rezultante. Newton a avansat ideea că orice obiect cu masă are o iner ieț ț
intrinsecă care se manifestă ca stare naturală de echilibru fundamental în locul ideii
aristoteliene a stării naturale de repaus. Prima lege contrazice astfel concep iaț
aristoteliană intuitivă că o for ă rezultantă este necesară pentru a păstra un obiect înț
mi care cu viteză constantă. Făcând dinș repaus acela i lucru cuș viteza constantă, prima
lege Newton leagă în mod direct iner ia cu conceptul de viteză relativă. Anume, în sistemeț
în care obiectele se deplasează cu viteze diferite, este imposibil de determinat care obiect
este „în mi care” i care este „în repaus”. Cu alte cuvinte, într-un limbaj mai tehnic, legileș ș
fizicii sunt acelea i în orice sistem de referin ă iner ial, adică în toate sistemele deș ț ț
referin ă legate între ele de o transformare galileană.ț
• De exemplu, la deplasarea într-un vehicul cu viteză constantă, legile fizicii nu sunt altele
decât în repaus. Cineva poate arunca un obiect direct în sus i îl poate prinde când cadeș
fără să- i facă griji despre aplicarea unei for e pe direc ia de deplasare a vehiculului.ș ț ț
Aceasta este adevărată, chiar dacă altcineva care observă vehiculul în mi care considerăș
traiectoria obiectului aruncat ca fiind o curbă parabolică pe direc ia de deplasare aț
vehiculului. Iner ia obiectului asociată cu viteza sa constantă pe direc ia de deplasare aț ț
vehiculului asigură că obiectul continuă să se deplaseze chiar dacă este aruncat în sus iș
cade înapoi.
8. Prima lege a lui Newton
• . Din perspectiva cuiva din vehicul, acesta, împreună cu tot ce e în el, este în
repaus, i lumea exterioară este cea care se mi că cu o viteză constantă înș ș
sens opus. Deoarece nu există niciun experiment care să facă deosebire între
cazul când vehiculul e în repaus i cel când lumea exterioară e în repaus, celeș
două situa ii sunt considerate identice din punct de vedere fizic. Iner ia seț ț
aplică deci în mod egal mi cării cu viteză constantă i repausului.ș ș
• Conceptul de iner ie poate fi generalizat pentru a explica tendin a obiectelor deț ț
a persista în diferite forme de mi care constantă, chiar i cele care nu sunt cuș ș
viteză constantă. Iner ia de rota ie a Pământului este cea care fixeazăț ț
constan a duratei zilei i cea a anului. Albert Einstein a extins principiul iner ieiț ș ț
i mai departe, explicând că sistemele de referin ă supuse accelera iei cuș ț ț
viteză constantă, cum ar fi cele în cădere liberă spre un obiect masiv, sunt
echivalente fizic cu sistemele de referin ă iner iale. De aceea, de exemplu,ț ț
astronau ii sunt în imponderabilitate pe orbită de cădere liberă în jurulț
Pământului, i de aceea legile lui Newton se observă mai bine în astfel deș
situa ii. Dacă un astronaut pune un obiect cu masă în aer lângă el, acestaț
rămâne în repaus în raport cu astronautul datorită iner iei. Acela i lucru seț ș
întâmplă i dacă astronautul i obiectul sunt în spa iul intergalactic fără ca vreoș ș ț
for ă să ac ioneze asupra sistemului lor de referin ă. Acest principiu deț ț ț
echivalen ă a fost una din importantele fundamente ale dezvoltăriiteorieiț
relativită ii generale.ț
9. A doua lege a lui Newton
• O formulare modernă a celei de-a doua legi a lui Newton este o ecua ieț
diferen ială vectorială:ț
–
• unde este impulsul sistemului, iar este for a totală. La echilibru, for aț ț
rezultantă este zero prin defini ie, dar for ele pot fi totu i prezente ( i potț ț ș ș
avea ca efect modificări egale i de sens contrar ale impulsului). Legea aș
doua afirmă că o for ăț neechilibrată ce ac ionează asupra unui obiect vaț
avea ca rezultat modificarea în timp a impulsului.
• Impulsul este, prin defini ie,ț
–
•
unde m este masa i este viteza. În cazul în care masa este constantă, eaș
poate ie i de sub derivata timpului:ș
– .
•
de unde rezultă formula algebrică a celei de-a doua legi a lui Newton:
–
10. A doua lege a lui Newton
• Newton însă nu a enun at niciodată în mod explicit formula în forma ei finală de mai sus.ț
• A doua lege a lui Newton afirmă că for a este propor ională cu masa i accelera ia. Accelera iaț ț ș ț ț
se poate defini prin măsurători cinematice. De i cinematica este bine descrisă prin analizaș
sistemelor de referin ă în fizica avansată, rămân întrebări profunde, cum ar fi defini ia corectă aț ț
masei. Relativitatea generală oferă o echivalen ă între spa iu-timp i masă, dar îi lipse te o teorieț ț ș ș
coerentă a gravita iei cuantice, i nu este clar cum i dacă această legătură mai este relevantă laț ș ș
scară microscopică. Cu unele justificări, a doua lege a lui Newton poate fi luată ca defini ieț
cantitativă a masei, scriind legea ca o egalitate; unită ile relative de for ă i masă sunt, în acestț ț ș
caz, fixe.
• Utilizarea celei de-a doua legi a lui Newton ca defini ieț a for ei a fost criticată în unele lucrăriț
riguroase, deoarece este, în esen ă, un truism matematic. Egalitatea dintre ideea abstractă deț
„for ă” i ideea abstractă de „modificare a vectorului impuls” nu are, finalmente, nicio semnifica ieț ș ț
observa ională, deoarece nu se poate defini una fără cealaltă. O defini ie a no iunilor de „for ă”ț ț ț ț
sau de „modificare a impulsului” trebuie să facă apel la o în elegere intuitivă a percep iilorț ț
directe, sau să se definească implicit printr-un set de formule matematice consistente între ele.
Printre cei mai importan i fizicieni, filozofi i matematicieni care au căutat o defini ie mai explicităț ș ț
a conceptului de „for ă” se numără Ernst Mach, Clifford Truesdell i Walter Nollț ș
• A doua lege a lui Newton se poate utiliza pentru a măsura intensitatea unei for e. De exemplu,ț
tiind masele planetelor i accelera iile orbitelor lor, oamenii de tiin ă pot calcula for eleș ș ț ș ț ț
gravita ionale de pe acele planete.ț
11. A treia lege a lui Newton
• A treia lege a lui Newton rezultă din aplicarea simetriei în situa iile în care for ele potț ț
fi atribuite prezen ei unor obiecte. Pentru orice două obiecte (1 i 2), a treia lege a luiț ș
Newton afirmă că orice for ă aplicată obiectului 1 datorită ac iunii obiectului 2 esteț ț
automat înso ită de o for ă aplicată obiectului 2 i datorată ac iunii obiectului 1.ț ț ș ț
–
•
Această lege înseamnă că for ele apar întotdeauna în perechi ac iune-ț ț
reac iune. Dacă obiectul 1 i obiectul 2 sunt considerate a fi parte a aceluia i sistem,ț ș ș
for a rezultantă asupra sistemului, datorată interac iunii dintre obiectele 1 i 2 esteț ț ș
zero deoarece
– .
–
• Aceasta
înseamnă că într-un sistem închis de particule, nu există for e interne neechilibrate.ț
Adică perechile ac iune-reac iune corespunzătoare for elor ce ac ionează întreț ț ț ț
oricare două obiecte dintr-un sistem închis nu determină o accelerare a centrului de
masă al sistemului. Obiectele componente accelerează doar unul în raport cu celălalt,
sistemul însu i rămâne neaccelerat. Alternativ, dacă o for ă externă ac ioneazăș ț ț
asupra sistemului, atunci centrul său de masă va fi accelerat propor ional cu modululț
for ei externe împăr ită la masa sistemului.ț ț
12. A treia lege a lui Newton
• Combinând a doua i a treia lege a lui Newton, se poate arătaș
că impulsul unui sistem se conservă. Folosind
–
•
i integrând în raport cu timpul, se ob ine ecua ia:ș ț ț
–
•
Pentru un sistem ce include obiectele 1 i 2,ș
–
•
ceea ce înseamnă conservarea impulsului. Cu argumente similare,
aceasta se poate generaliza la un sistem cu un număr arbitrar de
particule. Aceasta arată că schimbul de impuls între obiectele
componente nu afectează impulsul total al unui sistem. În general,
atâta timp cât for ele sunt cauzate de interac iuni între obiecte cuț ț
masă, se poate defini un sistem pentru care impulsul total nu se
pierde i nu se acumulează niciodată.ș
13. Descrieri
• Deoarece for ele sunt percepute ca împingeri sau trageri, ele pot furniza oț
în elegere intuitivă a for elor descrise.Ca i în cazul altor concepte din fizicăț ț ș
(cum ar fi temperatura, în elegerea intuitivă a for elor este cuantificată folosindț ț
defini ii opera ionale precise, consistente cu observa iile directe i comparateț ț ț ș
cu o scară de măsurare standard. Prin experimentare, se determină că
măsurătorile de laborator asupra for elor sunt complet consistente cu defini iaț ț
conceptuală oferită de mecanica newtoniană.
• For ele ac ionează într-o anume direc ie i sens i au un modul dependent deț ț ț ș ș
cât de puternică este împingerea sau tragerea. Din cauza acestor caracteristici,
for ele se clasifică drept mărimi vectoriale. Aceasta înseamnă că for eleț ț
respectă un set diferit de reguli matematice decât mărimile fizice care nu au
direc ie (denumite mărimi scalar). De exemplu, când se determină ce seț
întâmplă când două for e ac ionează asupra aceluia i obiect, este nevoie să seț ț ș
tie atât modulul, cât i direc ia ambelor for e pentru a calcula rezultanta. Dacăș ș ț ț
nu se tiu ambele informa ii pentru toate for ele, situa ia este ambiguă. Deș ț ț ț
exemplu, dacă se tie cât de tare trag doi oameni de aceea i frânghie, dar nu seș ș
tie în ce direc ie trage fiecare, este imposibil să se determine care va fiș ț
accelera ia frânghiei. Cei doi oameni ar putea trage în sensuri contrare sau înț
acela i sens. În acest exemplu unidimensional simplu, dacă nu se tie direc iaș ș ț
for elor, nu se poate decide dacă rezultanta se calculează prin adunarea celorț
două sau prin scăderea lor. Reprezentarea for elor prin vectori evită acesteț
probleme.
14. Descrieri
• .
• La început, for ele au fost investigate cantitativ în condi ii de echilibru static, în care mai multeț ț
for e se anulau reciproc. Astfel de experimente demonstrează proprietatea esen ială că for eleț ț ț
sunt mărimi vectoriale aditive: ele au modul i direc ie. Când două for e ac ionează asupra unuiș ț ț ț
obiect, rezultanta se poate determina folosind regula paralelogramului pentru adunarea
vectorială: adunarea a doi vectori reprezenta i ca laturile unui paralelogram dă un vector rezultantț
egal în modul i direc ie cu diagonala paralelogramului. Modulul rezultantei variază de laș ț
diferen a modulelor celor două for e la suma acestora, în func ie de unghiul dintre liniile lor.ț ț ț
• Diagramele de corp liber se folosesc pentru a analiza for ele ce ac ionează asupra unui sistem.ț ț
Ideal, aceste diagrame se desenează cu modulele i unghiurile vectorilor for ă păstrate astfelș ț
încât să se poată face adunarea grafică a vectorilor pentru a determina rezultanta.
• Pe lângă adunare, for ele pot fi i descompuse în componente independente, în unghi dreptț ș
unele fa ă de altele. O for ă orizontală îndreptată spre nord-est poate fi descompusă în douăț ț
for e, una îndreptată spre nord, i alta spre est. Adunând vectorial aceste for e componenteț ș ț
rezultă for a ini ială. Descompunerea vectorilor după o bază este adesea o metodă matematicăț ț
de a descrie for ele, mai curată decât prin modul i direc ie.[Aceasta deoarece, pentruț ș ț
componentele ortogonale, componentele sumei vectoriale sunt unic determinate de adunarea
scalară a componentelor vectorilor individuali. Componentele ortogonale sunt independente una
de alta; for ele ac ionează la nouăzeci de grade i nu se influen ează reciproc. Alegerea uneiț ț ș ț
baze ortogonale este adesea efectuată luând în considerare baza care ar face calculele mai
convenabile. Este de dorit alegerea unei baze cu un vector pe direc ia uneia dintre for e,ț ț
deoarece acea for ă va avea atunci o singură componentă nenulă. Vectorii for ă pot fi iț ț ș
tridimensionali, a treia componentă fiind în unghi drept cu celelalte două.
15. • Toate for ele din univers se bazează pe patru for e fundamentale. For ele tare i slabăț ț ț ș
ac ionează doar pe distan e foarte scurte, i sunt cele care in anumi i nucleoni iț ț ș ț ț ș
anumite nuclee împreună. For a electromagnetică ac ionează între sarcini electrice i for aț ț ș ț
gravita ională ac ionează între mase. Toate celelalte for e se bazează pe existen a celor patruț ț ț ț
interac iuni fundamentale. De exemplu, frecarea este o manifestare a for ei electromagnetice ceț ț
ac ionează între doi atomi de pe două suprafe ie, i principiului de excluziune al lui Pauli care nuț ț ș
permite atomilor să treacă unii prin ceilal i. For ele din resorturi, modelate de legea lui Hooke,ț ț
sunt i ele rezultatul for elor electromagnetice i ale principiului de excluziune care ac ioneazăș ț ș ț
împreună, aducând obiectul la pozi ia sa de echilibru. For ele centrifuge sunt de fapt manifestăriț ț
ale accelera iei unui sistem de referin ă în rota ie.ț ț ț
• Dezvoltarea teoriilor fundamentale ale for elor a mers pe linia unificării ideilor separate. Deț
exemplu, Isaac Newton a unificat for a răspunzătoare pentru căderea obiectelor la suprafa aț ț
Pământului cu for a răspunzătoare pentru orbitele corpurilor cere ti, dezvoltând teoria gravita ieiț ș ț
universale. Michael Faraday i James Clerk Maxwell au demonstratat că for ele electrice i celeș ț ș
magnetice sunt una i aceea i, prin dezvoltarea unei teorii consistente a electromagnetismului. Înș ș
secolul al XX-lea, dezvoltarea mecanicii cuantice a dus la o în elegere modernă a faptului căț
primele trei for e fundamentale (toate cu excep ia gravita iei) sunt manifestări ale materieiț ț ț
(fermioni ce interac ionează prin schimbul de particule virtuale purtătoare deț
interac iuni. Acest model standard din fizica particulelor arată similitudini între for e i auț ț ș
determinat oamenii de tiin ă să prezică unificarea for elor slabă i electromagnetică în teoriaș ț ț ș
electro-slabă, confirmată ulterior prin observa ii. Formularea completă a modelului standardț
prezice existen a unui mecanism Higgs, încă neobservat, dar observa iile oscila iilor neutrinilorț ț ț
indică faptul că modelul standard este incomplet. O teorie unificată care să permită combinearea
interac iunii electroslabe cu for a tare este considerată o posibilitate, teorii candidatț ț
fiind supersimetria propusă pentru a trata unele din problemele nerezolvate din fizică. Fizicienii
încă mai încearcă să dezvolte modele unificatoare consistente care să combină toate cele patru
interac iuni fundamentale. Einstein a încercat aceasta i nu a reu it, dar, la începutul secolului alț ș ș
XXI-lea, cea mai populară abordare a acestei chestiuni este teoria corzilor
16. Forta nucleara
• există două for e nucleare care sunt descrise ca interac iuni ce au loc în teoriile cuanticeț ț
din fizica particulelor. For a nucleară tare este for a responsabilă cu men inereaț ț ț
integrită ii structurale a nucleelor atomice în vreme ce for a nucleară slabă esteț ț
răspunzătoare pentru dezagregarea anumi ilor nucleoni în leptoni i în alte tipuriț ș
de hadroni
• For a tare reprezintă interac iunile între quarkuri i gluoni, descrise înț ț ș
teoria cromodinamicii cuantice For a tare este for a fundamentală mijlocită de gluoni, iț ț ș
care ac ionează asupra quarkurilor, antiquarkurilor, i asupra gluonilor în i i.ț ș ș ș
Interac iunea tare este cea mai puternică dintre cele patru for e fundamentaleț ț
• For a tare ac ioneazăț ț direct doar asupra particulelor elementare. O componentă a acestei
for e este însă observată i între hadroni (cel mai cunoscut exemplu fiind for a ceț ș ț
ac ionează între nucleoni în cadrul nucleului atomic) ca for ă nucleară. Aici, for a tareț ț ț
ac ionează indirect, transmisă sub formă de gluoni, care fac parte din mezonii virtuali π iț ș
ρ, care transmit for a nucleară. E ecul căutărilor quarkurilor libere a arătat că particuleleț ș
elementare afectate nu sunt observabile direct. Acest fenoment se nume teș confinement.
• For a slabă este datorată schimbului de bozoni W i Z, particule masive. Cel mai cunoscutț ș
efect al ei îl reprezintă dezintegrarea beta (a neutronilor din nucleele atomice) iș
fenomenele de radioactivitateasociate acesteia. Numele de slabă provine de la faptul că
intenistatea câmpului este de aproximativ 1013 ori mai mică decât a câmpului unei for eț
tari. Chiar i a a, ea este mai puternică decât gravita ia pe distan e scurte. A fostș ș ț ț
dezvoltată i o teorie a interac iunii electroslabe, care arată că for ele electromagnetice iș ț ț ș
for a slabă sunt identice la temperaturi de aproximativ 1015 Kelvin. Asemenea temperaturiț
au fost testate în acceleratoarele moderne de particule i arată starea universului înș
primele momente ale Big Bangului
17. Diagramele Feynman
• În fizica particulelor modernă, for ele i accelera ia particulelor sunt explicate ca schimbț ș ț
de particule purtătoare de impuls. Cu dezvoltarea teoriei cuantice de câmp i a relativită iiș ț
generale, s-a con tientizat căș for aț este un concept redundant ce rezultă din conservarea
impulsului (4-impulsu relativist i impulsul particulelor virtuale din electrodinamicaș
cuantică). Conservarea impulsului, din teorema lui Noether, poate fi calculat direct din
simetria spa iului i este, de regulă, considerat mai fundamental decât conceptul de for ă.ț ș ț
Astfel, for ele fundamental sunt denumite mai exactț interac iuni fundamentaleț Când
particula A emite sau absoarbe particula B, o for ă accelerează particula A ca răspuns laț
impulsul particulei B, conservând astfel impulsul sistemului. Această descriere se aplică
tuturor for elor ce reies din interac iunile fundamentale. De i este nevoie de descrieriț ț ș
matematice complexe pentru a prezice, în detaliu, natura unor astfel de interac iuni, existăț
o cale simplă de a le descrie prin utilizarea diagramelor Feynman. Într-o diagramă
Feynman, fiecare particulă materială este reprezentată ca linie dreaptă ce se deplasează
prin timp, care de regulă cre te către dreapta. Particulele de materie i antimaterie suntș ș
identice, cu excep ia direc iei de propagare a lor prin diagrama Feynman. Liniile deț ț
univers ale particulelor se întâlnesc în punctele de intersec ie, iar diagrama reprezintăț
orice for ă ce apare dintr-o interac iune ca având loc în acel punct cu o schimbareț ț
instantanee de direc ie a liniilor de univers ale particulei. Particulele purtătoare sunt emiseț
din punctul de intersec ie ca linii ondulate (similare undelor) i, în cazul schimbului deț ș
particule virtuale, sunt absorbite de un punct de intersec ie adiacent.ț
• Utilitatea diagramelor Feynman este aceea că celelalte tipuri de fenomene fizice ce fac
parte din ansamblul general al interac iunilor fundamentale, dar sunt conceptual diferiteț
de for e, pot fi descrise pe baza acelora i reguli. De exemplu, o diagramă Feynman poateț ș
descrie pe scurt cum un neutron se dezintegrează, rezultând un electron, un proton, iș
un neutrino, interac iune mijlocită de aceea i particulăț ș purtătoare responsabilă
pentrufor a nucleară slabăț
18. • Echilibrul dinamic a fost descris pentru prima oară de Galilei, care a observat că anumite
presupuneri ale fizicii aristoteliene sunt contrazise de observa ii i de logică. Galilei i-aț ș ș
dat seama că simpla adunare a vitezelor impune inexisten a unui sistem de referin aț ț
absolut. Galilei a concluzionat că mi carea cu viteză constantă era perfect echivalentă cuș
repausul. Aceasta contrazicea no iunea lui Aristotel deț stare naturală de repaus la care
tind obiectele cu masă. Experimente simple au arătat că în elegerea de către Galilei aț
echivalen ei repausului cu viteza constantă este corectă. De exemplu, dacă un marinar arț
scăpa o ghiulea din vârful catargului unei corăbii care se deplasează cu viteză constantă,
fizica aristoteliană ar crede că ghiuleaua cade direct în jos, în timp ce corabia se
deplasează sub ea. Astfel, într-un univers aristotelian, ghiuleaua ar cădea în urma bazei
catargului unei corăbii în mi care. Dar, când acest experiment este efectiv efectuat,ș
ghiuleaua cade întotdeauna chiar la baza catargului, ca i cum ar fi tiut că se deplaseazăș ș
cu corabia în timp ce era în cădere, separată de aceasta. Deoarece nu există nicio for ăț
orizontală aplicată ghiulelei în timpul căderii, singura concluzie rămasă este aceea că
ghiuleaua continuă să se mi te cu aceea i viteză ca i corabia în timp ce cade. Astfel, nuș ș ș
este necesară nicio for ă pentru a ine ghiuleaua în mi care cu viteză constantă înainte.ț ț ș
• Mai mult, orice obiect ce se deplasează cu viteză constantă trebuie să aibă rezultanta
for elor ce ac ionează asupra lui egală cu zero. Aceasta este defini ia echilibrului dinamic:ț ț ț
când toate for ele ce ac ionează asupra unui obiect se anulează reciproc dar obiectulț ț
continuă să se deplaseze cu viteză constantă.
• Un caz simplu de echilibru dinamic are loc în cazul mi cării cu viteză constantă pe oș
suprafa ă cu frecare cinetică. Într-o astfel de situa ie, este aplicată o for ă în direc iaț ț ț ț
mi cării, în timp ce frecarea cinetică se opune i este exact egală cu for a aplicată.ș ș ț
Aceasta dă o rezultantă egală cu zero, dar, deoarece obiectul a pornit cu viteză nenulă, el
continuă să se mi te cu viteză nenulă. Aristotel a interpretat gre it această mi care caș ș ș
fiind cauzată de for a aplicată. Totu i, când se ia în considerare frecarea cinetică, este clarț ș
că nu există nicio for ă rezultantă ce determină mi carea cu viteză constantă.ț ș
