Šta su – a šta to nisu – sile u fizici i svakodnevnom iskustvu

Šta je to sila?

U školi se uči da je sila mera interakcije (uzajamnog dejstva) dva fizička tela. Reč je o vektorskoj veličini, koja kao takva ima svoj pravac, smer i intenzitet. Merna jedinica sile je njutn.

U svakodnevnom životu susrećemo se sa mnogim silama (ovde, naravno, govorimo o silama koje svoje poreklo imaju u fizici). Ispostavlja se da se sve takve sile u krajnjoj liniji mogu svesti na svega njih četiri:

1. elektromagnetnu;
2. jaku nuklearnu;
3. slabu nuklearnu;
4. gravitacionu.

Faradej

Maksvel

Iz imena prve na ovoj listi vidimo da se u suštini sastoji iz dve sile, električne i magnetne. Ispostavilo se da su ove dve pod-sile vrlo „srodne“, da električne pojave mogu imati i magnetna dejstva – baš kao što i magnetizam može izazvati električne pojave. Zaslugu za ovo „objedinjavanje“ imaju dvojica čuvenih fizičara devetnaestog veka: eksperimentalac Majkl Faradej (Michael Faraday) i matematičar i teorijski fizičar Džejms Klerk Maksvel (James Clerk Maxwell).

Pojam o jakoj i slaboj nuklearnoj sili nešto je novijeg datuma; reč je o fizici sredine dvadesetog veka.

Ispostavilo se da se prve tri sile sa ovog spiska mogu objediniti istom teorijom – kao što su u devetnaestom veku spojene električna i magnetna sila. Gravitaciona sila još uvek se „ne da“, i posao pisanja „jedne jednačine za sve četiri interakcije“ zbog gravitacije još uvek nije obavljen.

Sile koje to jesu…

Pravih sila – sila interakcije između dva tela – ima mnogo, i pretpostavljam da se ne mogu sve pobrojati. Npr. gravitaciona i Kulonova sila su direktne posledice dve (od četiri) pomenute interakcije u prethodnom odeljku. Od makroskopskih sila treba pomenuti i težinu, sa kojom se nonstop susrećemo, zatim silu trenja – naročito dobro poznatu u zimskom delu godine, težinu, silu zatezanje opruge o koju je okačen kakav teret, silu otpora sredine kroz koju se telo kreće…

Za sve njih zajedničko je što su to prave sile, što u krajnjoj liniji nastaju iz interakcije dva tela, imaju svoj pravac i smer delovanja, intenzitet, i mernu jedinicu u njutnima. Sve ove sile mogu da se slažu (to znači – sabiraju kao vektori), pri čemu su tako „kompatibilne“ da se mogu „slagati“ i različite vrste sila: kada okačite neki teg o oprugu, uravnotežavaju se težina tela i elastična sila opruge.

Naglasimo da sada razmatramo sile koje nastaju između dva tela, zbog toga što – kako ispada – mogu da postoje i sile koje zavise od promenljivog kretanja jednog jedinog tela. O tom – odmah potom…

… i sile koje to nisu

Postoji nekoliko sila koje nisu rezultat interakcije (uzajamnog delovanja) dva tela. Ove sile nisu sile „po definiciji“, već pripadaju takozvanim inercijalnim, pseudo-silama. Za njih je karakteristično da su u vezi samo sa jednim fizičkim telom, i to kada se to telo kreće promenljivo, tj. kada se njegova brzina menja u toku nekog vremena, bilo po pravcu, bilo po smeru, bilo po intenzitetu (moguće su i bilo koje kombinacije ova tri parametra). Jedini razlog zbog kojeg postoje ove sile je to što postoji ubrzanje, koje ili ubrzava i usporava telo, ili ga primorava da se kreće kružno. Razmatraćemo tri najbitnije inercijalne sile: silu zbog ubrzanog ili usporenog pravolinijskog kretanja, centrifugalnu i Koriolisovu silu.

Prva inercijalna sila koju razmatramo nema čak ni svoj poseban naziv, verovatno zbog toga što nam je veoma poznata u svakodnevno praksi, pa na nju ni ne obraćamo preveliku pažnju. Tipičan primer je automobil koji se kreće po pravolinijskom putu. Kada vozač doda gas, svi unutar vozila osete blagu silu kojom ih naslon sedišta pritisne po leđima. Alternativno, slična pojava dešava se i kada automobil naglo prikoči. Ova sila postoji samo zbog ubrzavanja ili usporavanja vozila, tj. nije izazvana interakcijom dva tela.

Zašto bismo se ograničavali na drumska vozila – putnici u avionu ili kosmonauti u raketi osete istu pojavu dok im njihov „prevoz“ ubrzava. (Štaviše, sem pritiska naslona, mogu da osete i promenu rezultujuće sile sopstvene težine i sile uzgona koja deluje u vertikalnom smeru!)

Centrifugalna sila nastaje zbog ravnomernog (po intenzitetu) kružnog kretanja tela. Tipičan primer je mašina za pranje veša, prilikom centrifugiranja: tom prilikom veš se zalepi uz samu ivicu bubnja, pri čemu kroz rupice izlaze kapi vode.

Centrifugalna sila veoma je interesantna i u medicinskoj, hemijskoj ili biološkoj laboratoriji, kada je potrebno razdvojiti hemijske sastojke nekog uzorka na komponente različite mase.

Ova sila mogla bi da obezbedi „veštačku gravitaciju“ u svemirskim brodovima na dužim kosmičkim putovanjima, čime bi kosmonauti i sa te strane imali prirodne uslove neophodne za duži boravak u kosmosu.

Koriolisova sila takođe je inercijalna sila, i isključivo je posledica kretanja tela u rotacionom referentnom sistemu. Zamislite veliki horizontalni disk, koji je u stanju da rotira oko svoje vertikalne ose. Neka je u njegovom središtu jedan posmatrač. Taj posmatrač u jednom trenutku šutne fudbalsku loptu duž poluprečnika diska. Sa gledišta posmatrača van diska putanja lopte je pravolinijska, ali će posmatraču na periferiji diska izgledati da lopta skreće sa svoje pravolinijske putanje na jednu stranu. A ako neko telo skreće sa svog pravolinijskog puta, na njega mora delovati sila! I to je ta Koriolisova sila, inercijalna sila koja nastaje usled kretanja tela u referentnom sistemu koji rotira.

Coriolis

Koriolisovu silu prvi je detaljno razmatrao Gaspar-Gistav de Koriolis (Gaspard-Gustave de Coriolis).

Koriolisova sila u svakodnevnom životu na Zemlji ima relativno mali intenzitet i ne može se toliko direktno zapaziti. Ipak, neki njeni efekti ipak su primećeni. U meteorologiji vazdušne mase blizu ekvatora na severnoj polulopti Zemlje rotiraju u smeru suprotnom od kretanja kazaljki na satu; vazdušne mase na južnoj polulopti skreću u suprotnom smeru, u smeru kazaljki na časovniku.

Česta je zabluda da ekvivalentna pojava postoji u slivnicima. Koriolisov efekat postoji i tu, ali je zbog malih masa i malih brzina toliko slabo izražen da ga regularno mehaničko i termičko kretanje višestruko nadvladava, tako da on sam praktično uopšte ne utiče na smer kretanja (oticanja) vode.

Ali, kada je reč o velikim masama i velikim brzinama, Koriolisova sila može postati veoma izražena. Čuvena crvena pega na gigantskom Jupiteru je jedan veliki tornado, koji vekovima zdušno rotira pod dejstvom Koriolisove sile, pogonjen velikim brzinama i kolosalnim masama Jupiterove atmosfere.

Pojava morskih struja takođe je u direktnoj vezi sa Koriolisovom silom.

Sile koje to NIKAKO nisu

Ne postoji mnogo sila koje to nisu ni na kakav način. Šta je to što njih potpuno razlikuje od pravih sila? Svakako, ono što im je zajedničko je sam naziv – sila; ali pored naziva nemaju nikakav drugi element koji imaju sile. Kao prvo – i najvažnije – njihova merna jedinica nije njutn, a sem toga skalarne su veličine, pa nemaju pravac, smer i intenzitet, što jedna sila mora da ima.

Jednostavan primer je tzv. elektromotorna sila. Ona nema veze ni sa elektromotorima, niti sa silama, pa ipak iz određenih razloga ima to sebi svojstveno ime. Opisno rečeno, elektromotorna sila je napon na naponskom izvoru (bateriji) kada izvor nije priključen u strujno kolo. Kada se baterija priključi u kolo, napon na njenim krajevima malo opadne, zbog toga što sama baterija ima neku malu unutrašnju otpornost. Ali kada bismo voltmetrom (ili univerzalnim instrumentom koji radi kao voltmetar) merili napon na krajevima baterije van strujnog kola, izmerena vrednost bila bi jednaka elektromotornoj sili.

Merna jedinica za elektromotornu silu je volt – baš kao i za napon u bilo kom delu kola, uključujući i sam naponski izvor – skalarna je veličina, i nema baš ničega zajedničkog sa silama.

Sledeća „kobajagi sila“ je koercitivna sila. Verovatno znate da nekim elektromagnetom možete namagnetisati nekakvu šipku od feromagnetskog materijala (gvožđe ili neku leguru), tako da kada uklonite elektromagnet – ili isključite izvor energije – šipka ostaje namagnetisana. Ali ako „obrnete polaritet“ izvora energije i počnete polako da povećavate jačinu polja u suprotnom smeru, u jednom trenutku šipka postaje potpuno razmagnetisana. Jačina električnog polja u tom trenutku (kada šipka prestaje da bude magnet) naziva se koercitivna sila. I – pogađate – nema baš ništa zajedničko sa silama.

Ja se ne mogu prisetiti još nekog primera ne-sila u domaćoj literaturi (ako se vi setite, možete me nekako obavestiti), ali znam primer u literaturi na ruskom jeziku. Na ruskom jeziku fraza „сила тока“ označava jačinu struje, fizičku veličinu koja pripada tzv. usmerenim skalarima, i koja nema nikakve veze sa pravim silama.

Logging out…

Kao čitalac „Astronomskog magazina“, vi ste svakako već čitali o crvenoj pegi na Jupiteru, a verovatno ste je i posmatrali teleskopom; a ako niste, onda je krajnje vreme da to učinite. Kada je pogledate, setite se ovog popularnog teksta i podležuće fizike. Meni bi baš bilo drago, a siguran sam da biste i vi imali takav osećaj posmatranjem ovog fenomena…!