Convertidor de Força
Força — De la Poma de Newton als Forats Negres
Domina les unitats de força en enginyeria, física i l'espai. Des de newtons a lliures-força, dines a forces gravitacionals, converteix amb confiança i entén què signifiquen els números.
Fonaments de la Força
Segona Llei de Newton
F = ma és el fonament de la dinàmica. 1 newton accelera 1 kg a 1 m/s². Cada força que sents és massa resistint l'acceleració.
- 1 N = 1 kg·m/s²
- Doble força → doble acceleració
- La força és un vector (té direcció)
- La força neta determina el moviment
Força vs Pes
El pes és la força gravitacional: P = mg. La teva massa és constant, però el pes canvia amb la gravetat. A la Lluna, peses 1/6 del teu pes a la Terra.
- Massa (kg) ≠ Pes (N)
- Pes = massa × gravetat
- 1 kgf = 9.81 N a la Terra
- Ingravidesa en òrbita = encara tens massa
Tipus de Forces
Les forces de contacte toquen objectes (fricció, tensió). Les forces sense contacte actuen a distància (gravetat, magnetisme, electricitat).
- La tensió estira al llarg de cordes/cables
- La fricció s'oposa al moviment
- La força normal és perpendicular a les superfícies
- La gravetat sempre és atractiva, mai repulsiva
- 1 newton = força per accelerar 1 kg a 1 m/s²
- Força = massa × acceleració (F = ma)
- El pes és força, la massa no ho és (P = mg)
- Les forces se sumen com a vectors (magnitud + direcció)
Explicació dels Sistemes d'Unitats
SI/Mètric — Absolut
El newton (N) és la unitat base del SI. Definit a partir de constants fonamentals: kg, m, s. S'utilitza en tot el treball científic.
- 1 N = 1 kg·m/s² (exacte)
- kN, MN per a forces grans
- mN, µN per a treballs de precisió
- Universal en enginyeria/física
Unitats Gravitacionals
Unitats de força basades en la gravetat de la Terra. 1 kgf = força per sostenir 1 kg contra la gravetat. Intuïtiu però dependent de la ubicació.
- kgf = quilogram-força = 9.81 N
- lbf = lliura-força = 4.45 N
- tonf = tona-força (mètrica/curta/llarga)
- La gravetat varia ±0.5% a la Terra
CGS i Especialitzades
Dina (CGS) per a forces petites: 1 dina = 10⁻⁵ N. El poundal (imperial absolut) rarament s'utilitza. Forces atòmiques/Planck per a escales quàntiques.
- 1 dina = 1 g·cm/s²
- Poundal = 1 lb·ft/s² (absolut)
- Unitat atòmica ≈ 8.2×10⁻⁸ N
- Força de Planck ≈ 1.2×10⁴⁴ N
La Física de la Força
Les Tres Lleis de Newton
1a: Els objectes es resisteixen al canvi (inèrcia). 2a: F=ma ho quantifica. 3a: Tota acció té una reacció igual i oposada.
- Llei 1: Sense força neta → sense acceleració
- Llei 2: F = ma (defineix el newton)
- Llei 3: Parells acció-reacció
- Les lleis prediuen tot el moviment clàssic
Suma Vectorial
Les forces es combinen com a vectors, no com a sumes simples. Dues forces de 10 N a 90° fan 14.1 N (√200), no 20 N.
- Magnitud + direcció requerides
- Utilitza el teorema de Pitàgores per a la perpendicularitat
- Les forces paral·leles se sumen/resten directament
- Equilibri: força neta = 0
Forces Fonamentals
Quatre forces fonamentals governen l'univers: gravetat, electromagnetisme, nuclear forta, nuclear feble. Tota la resta són combinacions.
- Gravetat: la més feble, abast infinit
- Electromagnètica: càrregues, química
- Forta: uneix els quarks en els protons
- Feble: desintegració radioactiva
Punts de Referència de Força
| Context | Força | Notes |
|---|---|---|
| Caminada d'un insecte | ~0.001 N | Escala de micronewtons |
| Pressió d'un botó | ~1 N | Pressió lleugera del dit |
| Encaixada de mans | ~100 N | Agafada ferma |
| Pes d'una persona (70 kg) | ~686 N | ≈ 150 lbf |
| Empenta d'un motor de cotxe | ~5 kN | 100 CV a velocitat d'autopista |
| Pes d'un elefant | ~50 kN | Animal de 5 tones |
| Empenta d'un motor de reacció | ~200 kN | Comercial modern |
| Motor de coet | ~10 MN | Motor principal del transbordador espacial |
| Tensió del cable d'un pont | ~100 MN | Escala del Golden Gate |
| Impacte d'asteroide (Chicxulub) | ~10²³ N | Va matar els dinosaures |
Comparació de Forces: Newtons vs Lliures-Força
| Newtons (N) | Lliures-Força (lbf) | Exemple |
|---|---|---|
| 1 N | 0.225 lbf | Pes d'una poma |
| 4.45 N | 1 lbf | 1 lliura a la Terra |
| 10 N | 2.25 lbf | Pes d'1 kg |
| 100 N | 22.5 lbf | Encaixada de mans forta |
| 1 kN | 225 lbf | Motor de cotxe petit |
| 10 kN | 2,248 lbf | Pes d'1 tona |
| 100 kN | 22,481 lbf | Pes d'un camió |
| 1 MN | 224,809 lbf | Capacitat d'una grua gran |
Aplicacions del Món Real
Enginyeria Estructural
Els edificis suporten forces enormes: vent, terratrèmols, càrregues. Columnes i bigues dissenyades per a forces de kN a MN.
- Cables de pont: 100+ MN de tensió
- Columnes d'edifici: 1-10 MN de compressió
- Vent sobre un gratacel: 50+ MN laterals
- Factor de seguretat típicament 2-3×
Aeroespacial i Propulsió
L'empenyiment dels coets es mesura en meganewtons. Els motors d'avió produeixen quilonewtons. Cada newton compta per escapar de la gravetat.
- Saturn V: 35 MN d'empenyiment
- Motor de Boeing 747: 280 kN cadascun
- Falcon 9: 7.6 MN a l'enlairament
- Reimpuls de l'EEI: 0.3 kN (continu)
Enginyeria Mecànica
Claus dinamomètriques, hidràulica, elements de subjecció, tot es valora en força. Crític per a la seguretat i el rendiment.
- Femelles de roda de cotxe: 100-140 N·m de parell
- Premsa hidràulica: capacitat de 10+ MN
- Tensió de cargol: rang típic de kN
- Constants de molla en N/m o kN/m
Càlculs Ràpids de Conversió
N ↔ kgf (Ràpid)
Divideix per 10 per a una estimació: 100 N ≈ 10 kgf (exacte: 10.2)
- 1 kgf = 9.81 N (exacte)
- 10 kgf ≈ 100 N
- 100 kgf ≈ 1 kN
- Ràpid: N ÷ 10 → kgf
N ↔ lbf
1 lbf ≈ 4.5 N. Divideix N per 4.5 per obtenir lbf.
- 1 lbf = 4.448 N (exacte)
- 100 N ≈ 22.5 lbf
- 1 kN ≈ 225 lbf
- Mental: N ÷ 4.5 → lbf
Dina ↔ N
1 N = 100,000 dines. Només cal moure el decimal 5 llocs.
- 1 dina = 10⁻⁵ N
- 1 N = 10⁵ dines
- CGS a SI: ×10⁻⁵
- Rarament utilitzat avui dia
Com Funcionen les Conversions
- Pas 1: Converteix l'origen → newtons utilitzant el factor toBase
- Pas 2: Converteix newtons → destinació utilitzant el factor toBase de la destinació
- Alternativa: Utilitza un factor directe si està disponible (kgf → lbf: multiplica per 2.205)
- Comprovació de sentit comú: 1 kgf ≈ 10 N, 1 lbf ≈ 4.5 N
- Per al pes: massa (kg) × 9.81 = força (N)
Referència de Conversions Comunes
| Des de | A | Multiplica per | Exemple |
|---|---|---|---|
| N | kN | 0.001 | 1000 N = 1 kN |
| kN | N | 1000 | 5 kN = 5000 N |
| N | kgf | 0.10197 | 100 N ≈ 10.2 kgf |
| kgf | N | 9.80665 | 10 kgf = 98.1 N |
| N | lbf | 0.22481 | 100 N ≈ 22.5 lbf |
| lbf | N | 4.44822 | 50 lbf ≈ 222 N |
| lbf | kgf | 0.45359 | 100 lbf ≈ 45.4 kgf |
| kgf | lbf | 2.20462 | 50 kgf ≈ 110 lbf |
| N | dina | 100000 | 1 N = 100,000 dines |
| dina | N | 0.00001 | 50,000 dines = 0.5 N |
Exemples Ràpids
Problemes Resolts
Conversió de l'Empenyiment d'un Coet
Empenyiment del coet Saturn V: 35 MN. Converteix a lliures-força.
35 MN = 35,000,000 N. 1 N = 0.22481 lbf. 35M × 0.22481 = 7.87 milions de lbf
Pes en Diferents Planetes
Persona de 70 kg. Pes a la Terra vs Mart (g = 3.71 m/s²)?
Terra: 70 × 9.81 = 686 N. Mart: 70 × 3.71 = 260 N. La massa és la mateixa, el pes un 38%.
Tensió d'un Cable
Un cable de pont suporta 500 tones. Quina és la tensió en MN?
500 tones mètriques = 500,000 kg. F = mg = 500,000 × 9.81 = 4.9 MN
Errors Comuns a Evitar
- **Massa vs Pes**: kg mesura massa, N mesura força. No diguis 'una persona de 70 N'—digues 70 kg.
- **kgf ≠ kg**: 1 kgf és força (9.81 N), 1 kg és massa. La confusió causa errors de 10×.
- **La ubicació importa**: kgf/lbf assumeixen la gravetat de la Terra. A la Lluna, 1 kg pesa 1.6 N, no 9.81 N.
- **Suma vectorial**: 5 N + 5 N pot ser igual a 0 (oposades), 7.1 (perpendiculars), o 10 (mateixa direcció).
- **Confusió de lliura**: lb = massa, lbf = força. Als EUA, 'lliura' normalment significa lbf depenent del context.
- **Raresa de la dina**: La dina és obsoleta; utilitza milinewtons. 10⁵ dines = 1 N, no és intuïtiu.
Fets Fascinants sobre la Força
El Múscul Més Fort
El múscul masseter de la mandíbula exerceix 400 N de força de mossegada (900 lbf). Cocodril: 17 kN. El Megalodon extint: 180 kN—suficient per aixafar un cotxe.
Potència de la Puça
Una puça salta amb una força de 0.0002 N però accelera a 100g. Les seves potes són molles que emmagatzemen energia, alliberant-la més ràpid del que el múscul es pot contreure.
Marea de Forat Negre
A prop d'un forat negre, la força de marea t'estira: els peus senten 10⁹ N més que el cap. S'anomena 'espaguetificació'. Series estripat àtom per àtom.
L'Estirada Gravitacional de la Terra
La gravetat de la Lluna crea marees amb una força de 10¹⁶ N sobre els oceans de la Terra. La Terra estira la Lluna amb 2×10²⁰ N—però la Lluna encara s'escapa 3.8 cm/any.
Resistència de la Seda d'Aranya
La seda d'aranya es trenca a ~1 GPa de tensió. Un fil amb una secció transversal d'1 mm² aguantaria 100 kg (980 N)—més fort que l'acer per pes.
Microscopi de Força Atòmica
L'AFM sent forces de fins a 0.1 nanonewtons (10⁻¹⁰ N). Pot detectar protuberàncies d'un sol àtom. Com sentir un gra de sorra des de l'òrbita.
Evolució Històrica
1687
Newton publica Principia Mathematica, definint la força amb F = ma i les tres lleis del moviment.
1745
Pierre Bouguer mesura la força gravitacional a les muntanyes, observant variacions en el camp gravitatori de la Terra.
1798
Cavendish pesa la Terra utilitzant una balança de torsió, mesurant la força gravitacional entre masses.
1873
L'Associació Britànica defineix la 'dina' (unitat CGS) com 1 g·cm/s². Més tard, el newton es va adoptar per al SI.
1948
La CGPM defineix el newton com a kg·m/s² per al sistema SI. Substitueix els antics kgf i les unitats tècniques.
1960
El SI s'adopta oficialment a nivell mundial. El newton esdevé la unitat de força universal per a la ciència i l'enginyeria.
1986
S'inventa el microscopi de força atòmica, que detecta forces de piconewtons. Revoluciona la nanotecnologia.
2019
Redefinició del SI: el newton ara es deriva de la constant de Planck. Fonamentalment exacte, sense artefacte físic.
Consells Professionals
- **Estimació ràpida de kgf**: divideix els newtons per 10. 500 N ≈ 50 kgf (exacte: 51).
- **Pes a partir de la massa**: multiplica kg per 10 per a una estimació ràpida en N. 70 kg ≈ 700 N.
- **Truc de memòria per a lbf**: 1 lbf és aproximadament la meitat del pes d'una ampolla de refresc de 2 litres (4.45 N).
- **Comprova les teves unitats**: si el resultat sembla 10× erroni, probablement has barrejat massa (kg) amb força (kgf).
- **La direcció importa**: les forces són vectors. Sempre especifica magnitud + direcció en problemes reals.
- **Les bàscules de molla mesuren força**: la bàscula de bany mostra kgf o lbf (força), però s'etiqueta com a kg/lb (massa) per convenció.
- **Notació científica automàtica**: valors < 1 µN o > 1 GN es mostren en notació científica per a la llegibilitat.
Referència Completa d'Unitats
SI / Mètric (Absolut)
| Nom de la Unitat | Símbol | Equivalent en Newtons | Notes d'Ús |
|---|---|---|---|
| newton | N | 1 N (base) | Base del SI per a la força; 1 N = 1 kg·m/s² (exacte). |
| quilonewton | kN | 1.000 kN | Estàndard en enginyeria; motors de cotxe, càrregues estructurals. |
| meganewton | MN | 1.00e+0 N | Forces grans; coets, ponts, premses industrials. |
| giganewton | GN | 1.00e+3 N | Forces tectòniques, impactes d'asteroides, teòric. |
| mil·linewton | mN | 1.0000 mN | Instruments de precisió; forces de molla petites. |
| micronewton | µN | 1.000e-6 N | Microescala; microscòpia de força atòmica, MEMS. |
| nanonewton | nN | 1.000e-9 N | Nanoescala; forces moleculars, àtoms individuals. |
Unitats Gravitacionals
| Nom de la Unitat | Símbol | Equivalent en Newtons | Notes d'Ús |
|---|---|---|---|
| quilogram-força | kgf | 9.8066 N | 1 kgf = pes d'1 kg a la Terra (9.80665 N exacte). |
| gram-força | gf | 9.8066 mN | Forces gravitacionals petites; balances de precisió. |
| tona-força (mètrica) | tf | 9.807 kN | Pes d'una tona mètrica; 1000 kgf = 9.81 kN. |
| mil·ligram-força | mgf | 9.807e-6 N | Forces gravitacionals minúscules; rarament utilitzat. |
| lliura-força | lbf | 4.4482 N | Estàndard EUA/RU; 1 lbf = 4.4482216 N (exacte). |
| unça-força | ozf | 278.0139 mN | 1/16 lbf; forces petites, molles. |
| tona-força (curta, EUA) | tonf | 8.896 kN | Tona dels EUA (2000 lbf); equipament pesat. |
| tona-força (llarga, Regne Unit) | LT | 9.964 kN | Tona del RU (2240 lbf); transport marítim. |
| kip (quilolliura-força) | kip | 4.448 kN | 1000 lbf; enginyeria estructural, disseny de ponts. |
Unitats Imperials Absolutes
| Nom de la Unitat | Símbol | Equivalent en Newtons | Notes d'Ús |
|---|---|---|---|
| poundal | pdl | 138.2550 mN | 1 lb·ft/s²; imperial absolut, obsolet. |
| unça (poundal) | oz pdl | 8.6409 mN | 1/16 de poundal; només teòric. |
Sistema CGS
| Nom de la Unitat | Símbol | Equivalent en Newtons | Notes d'Ús |
|---|---|---|---|
| dina | dyn | 1.000e-5 N | 1 g·cm/s² = 10⁻⁵ N; sistema CGS, llegat. |
| quilodina | kdyn | 10.0000 mN | 1000 dines = 0.01 N; rarament utilitzat. |
| megadina | Mdyn | 10.0000 N | 10⁶ dines = 10 N; terme obsolet. |
Especialitzades i Científiques
| Nom de la Unitat | Símbol | Equivalent en Newtons | Notes d'Ús |
|---|---|---|---|
| sthène (unitat MKS) | sn | 1.000 kN | Unitat MKS = 1000 N; històrica. |
| grave-força (quilogram-força) | Gf | 9.8066 N | Nom alternatiu per a quilogram-força. |
| pond (gram-força) | p | 9.8066 mN | Gram-força; ús alemany/d'Europa de l'Est. |
| quilopond (quilogram-força) | kp | 9.8066 N | Quilogram-força; unitat tècnica europea. |
| crinal (decinewton) | crinal | 100.0000 mN | Decinewton (0.1 N); obscur. |
| grave (quilogram en el sistema mètric antic) | grave | 9.8066 N | Sistema mètric primitiu; quilogram-força. |
| unitat atòmica de força | a.u. | 8.239e-8 N | Força de Hartree; física atòmica (8.2×10⁻⁸ N). |
| força de Planck | FP | 1.21e+38 N | Escala de gravetat quàntica; 1.2×10⁴⁴ N (teòric). |
Preguntes Freqüents
Quina és la diferència entre massa i pes?
La massa (kg) és la quantitat de matèria; el pes (N) és la força gravitacional sobre aquesta massa. La massa es manté constant; el pes canvia amb la gravetat. A la Lluna peses 1/6 però tens la mateixa massa.
Per què utilitzar newtons en lloc de kgf o lbf?
El newton és absolut—no depèn de la gravetat. kgf/lbf assumeixen la gravetat de la Terra (9.81 m/s²). A la Lluna o a Mart, kgf/lbf serien incorrectes. El newton funciona a tot l'univers.
Quanta força pot exercir un humà?
Persona mitjana: 400 N d'empenta, 500 N d'estirada (curta durada). Atletes entrenats: 1000+ N. Pes mort de classe mundial: ~5000 N (~500 kg × 9.81). Força de mossegada: 400 N de mitjana, 900 N màxim.
Què és un kip i per què s'utilitza?
Kip = 1000 lbf (quilolliura-força). Els enginyers estructurals dels EUA utilitzen kips per a les càrregues de ponts/edificis per evitar escriure números grans. 50 kips = 50,000 lbf = 222 kN.
Encara s'utilitza la dina?
Rarament. La dina (unitat CGS) apareix en llibres de text antics. La ciència moderna utilitza milinewtons (mN). 1 mN = 100 dines. El sistema CGS és obsolet excepte en alguns camps especialitzats.
Com converteixo el pes en força?
El pes ÉS força. Fórmula: F = mg. Exemple: persona de 70 kg → 70 × 9.81 = 686 N a la Terra. A la Lluna: 70 × 1.62 = 113 N. La massa (70 kg) no canvia.
Directori Complet d'Eines
Totes les 71 eines disponibles a UNITS