Jėgos Keitiklis
Jėga — Nuo Niutono Obuolio iki Juodųjų Skylių
Įsisavinkite jėgos vienetus inžinerijoje, fizikoje ir kosmose. Nuo niutonų iki svarų-jėgos, dinų iki gravitacinių jėgų, konvertuokite užtikrintai ir supraskite, ką reiškia skaičiai.
Jėgos Pagrindai
Antrasis Niutono Dėsnis
F = ma yra dinamikos pagrindas. 1 niutonas suteikia 1 kg masės kūnui 1 m/s² pagreitį. Kiekviena jūsų jaučiama jėga yra masė, besipriešinanti pagreičiui.
- 1 N = 1 kg·m/s²
- Dviguba jėga → dvigubas pagreitis
- Jėga yra vektorius (turi kryptį)
- Atstojamoji jėga lemia judėjimą
Jėga vs Svoris
Svoris yra gravitacinė jėga: S = mg. Jūsų masė yra pastovi, bet svoris kinta priklausomai nuo gravitacijos. Mėnulyje jūsų svoris yra 1/6 jūsų svorio Žemėje.
- Masė (kg) ≠ Svoris (N)
- Svoris = masė × gravitacija
- 1 kgf = 9,81 N Žemėje
- Nesvarumas orbitoje = vis dar turite masę
Jėgų Tipai
Kontaktinės jėgos liečia objektus (trintis, įtempimas). Nekontaktinės jėgos veikia per atstumą (gravitacija, magnetizmas, elektra).
- Įtempimas tempia išilgai virvių/kabelių
- Trintis priešinasi judėjimui
- Normalinė jėga yra statmena paviršiams
- Gravitacija visada yra traukos, niekada stūmos
- 1 niutonas = jėga, reikalinga 1 kg masės kūnui suteikti 1 m/s² pagreitį
- Jėga = masė × pagreitis (F = ma)
- Svoris yra jėga, masė ne (S = mg)
- Jėgos sudedamos kaip vektoriai (dydis + kryptis)
Vienetų Sistemų Paaiškinimas
SI/Metrinė — Absoliuti
Niutonas (N) yra SI bazinis vienetas. Apibrėžiamas iš fundamentalių konstantų: kg, m, s. Naudojamas visame moksliniame darbe.
- 1 N = 1 kg·m/s² (tiksliai)
- kN, MN didelėms jėgoms
- mN, µN tiksliam darbui
- Universalus inžinerijoje/fizikoje
Gravitaciniai Vienetai
Jėgos vienetai, pagrįsti Žemės gravitacija. 1 kgf = jėga, reikalinga išlaikyti 1 kg nuo gravitacijos. Intuityvu, bet priklauso nuo vietos.
- kgf = kilogramas-jėga = 9,81 N
- lbf = svaras-jėga = 4,45 N
- tonf = tona-jėga (metrinė/trumpa/ilga)
- Gravitacija Žemėje kinta ±0,5%
CGS ir Specializuoti
Dina (CGS) mažoms jėgoms: 1 dina = 10⁻⁵ N. Paundalis (imperinis absoliutus) retai naudojamas. Atominės/Plancko jėgos kvantinėms skalėms.
- 1 dina = 1 g·cm/s²
- Paundalis = 1 lb·ft/s² (absoliutus)
- Atominis vienetas ≈ 8,2×10⁻⁸ N
- Plancko jėga ≈ 1,2×10⁴⁴ N
Jėgos Fizika
Trys Niutono Dėsniai
1-asis: Objektai priešinasi pokyčiams (inercija). 2-asis: F=ma tai kiekybiškai įvertina. 3-iasis: Kiekvienas veiksmas turi lygų ir priešingą atoveiksmį.
- 1 dėsnis: Nėra atstojamosios jėgos → nėra pagreičio
- 2 dėsnis: F = ma (apibrėžia niutoną)
- 3 dėsnis: Veiksmo-atoveiksmio poros
- Dėsniai numato visą klasikinį judėjimą
Vektorinė Sudėtis
Jėgos sumuojamos kaip vektoriai, o ne kaip paprastos sumos. Dvi 10 N jėgos, veikiančios 90° kampu, sukuria 14,1 N (√200), o ne 20 N.
- Reikalingas dydis + kryptis
- Statmenumui naudokite Pitagoro teoremą
- Lygiagrečios jėgos tiesiogiai sudedamos/atimamos
- Pusiausvyra: atstojamoji jėga = 0
Fundamentaliosios Jėgos
Keturios fundamentaliosios jėgos valdo visatą: gravitacija, elektromagnetizmas, stiprioji branduolinė, silpnoji branduolinė. Visa kita yra jų deriniai.
- Gravitacija: silpniausia, begalinis veikimo nuotolis
- Elektromagnetinė: krūviai, chemija
- Stiprioji: suriša kvarkus protonuose
- Silpnoji: radioaktyvusis skilimas
Jėgos Gairės
| Kontekstas | Jėga | Pastabos |
|---|---|---|
| Vabzdžio ėjimas | ~0,001 N | Mikroniutonų skalė |
| Mygtuko paspaudimas | ~1 N | Lengvas piršto paspaudimas |
| Rankos paspaudimas | ~100 N | Tvirtas suėmimas |
| Žmogaus svoris (70 kg) | ~686 N | ≈ 150 lbf |
| Automobilio variklio trauka | ~5 kN | 100 AG greitkelyje |
| Dramblio svoris | ~50 kN | 5 tonų gyvūnas |
| Reaktyvinio variklio trauka | ~200 kN | Modernus komercinis |
| Raketos variklis | ~10 MN | Erdvėlaivio pagrindinis variklis |
| Tilto lyno įtempimas | ~100 MN | Aukso Vartų skalė |
| Asteroido smūgis (Čikšulubas) | ~10²³ N | Išnaikino dinozaurus |
Jėgų Palyginimas: Niutonai ir Svarai-jėga
| Niutonai (N) | Svarai-jėga (lbf) | Pavyzdys |
|---|---|---|
| 1 N | 0,225 lbf | Obuolio svoris |
| 4,45 N | 1 lbf | 1 svaras Žemėje |
| 10 N | 2,25 lbf | 1 kg svoris |
| 100 N | 22,5 lbf | Stiprus rankos paspaudimas |
| 1 kN | 225 lbf | Mažo automobilio variklis |
| 10 kN | 2 248 lbf | 1 tonos svoris |
| 100 kN | 22 481 lbf | Sunkvežimio svoris |
| 1 MN | 224 809 lbf | Didelio krano keliamoji galia |
Realaus Pasaulio Taikymai
Statybos Inžinerija
Pastatai atlaiko milžiniškas jėgas: vėją, žemės drebėjimus, apkrovas. Kolonos, sijos projektuojamos nuo kN iki MN jėgoms.
- Tilto lynai: 100+ MN įtempimas
- Pastato kolonos: 1-10 MN gniuždymas
- Vėjas ant dangoraižio: 50+ MN šoninė jėga
- Saugos koeficientas paprastai 2-3×
Aviacija ir Kosmonautika
Raketų trauka matuojama meganiutonais. Lėktuvų varikliai generuoja kiloniutonus. Kiekvienas niutonas svarbus norint ištrūkti iš gravitacijos.
- Saturn V: 35 MN trauka
- Boeing 747 variklis: po 280 kN
- Falcon 9: 7,6 MN starto metu
- TKS orbitos pakėlimas: 0,3 kN (nuolatinis)
Mechanikos Inžinerija
Sukimo momento raktai, hidraulika, tvirtinimo detalės – viskas vertinama jėga. Kritiškai svarbu saugumui ir našumui.
- Automobilio ratų veržlės: 100-140 N·m sukimo momentas
- Hidraulinis presas: 10+ MN pajėgumas
- Varžto įtempimas: tipiškas kN diapazonas
- Spyruoklių standumas N/m arba kN/m
Greita Konvertavimo Matematika
N ↔ kgf (Greitai)
Padalinkite iš 10 apytiksliai: 100 N ≈ 10 kgf (tiksliai: 10,2)
- 1 kgf = 9,81 N (tiksliai)
- 10 kgf ≈ 100 N
- 100 kgf ≈ 1 kN
- Greitai: N ÷ 10 → kgf
N ↔ lbf
1 lbf ≈ 4,5 N. Padalinkite N iš 4,5, kad gautumėte lbf.
- 1 lbf = 4,448 N (tiksliai)
- 100 N ≈ 22,5 lbf
- 1 kN ≈ 225 lbf
- Mintyse: N ÷ 4,5 → lbf
Dina ↔ N
1 N = 100 000 dinų. Tiesiog perkelkite kablelį per 5 vietas.
- 1 dina = 10⁻⁵ N
- 1 N = 10⁵ dinų
- Iš CGS į SI: ×10⁻⁵
- Šiandien retai naudojama
Kaip Veikia Konvertavimas
- 1 žingsnis: Konvertuokite šaltinį → niutonus naudodami toBase koeficientą
- 2 žingsnis: Konvertuokite niutonus → tikslą naudodami tikslo toBase koeficientą
- Alternatyva: Naudokite tiesioginį koeficientą, jei yra (kgf → lbf: padauginkite iš 2,205)
- Sveiko proto patikrinimas: 1 kgf ≈ 10 N, 1 lbf ≈ 4,5 N
- Svoriui: masė (kg) × 9,81 = jėga (N)
Dažnų Konvertavimų Nuoroda
| Iš | Į | Padauginti iš | Pavyzdys |
|---|---|---|---|
| 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 dinų |
| dina | N | 0,00001 | 50 000 dinų = 0,5 N |
Greiti Pavyzdžiai
Išspręsti Uždaviniai
Raketos Traukos Konvertavimas
Saturn V raketos trauka: 35 MN. Konvertuokite į svarus-jėgą.
35 MN = 35 000 000 N. 1 N = 0,22481 lbf. 35M × 0,22481 = 7,87 milijono lbf
Svoris Skirtingose Planetose
70 kg asmuo. Svoris Žemėje vs. Marse (g = 3,71 m/s²)?
Žemė: 70 × 9,81 = 686 N. Marsas: 70 × 3,71 = 260 N. Masė ta pati, svoris 38%.
Kabelio Įtempimas
Tilto kabelis laiko 500 tonų. Koks įtempimas MN?
500 metrinių tonų = 500 000 kg. F = mg = 500 000 × 9,81 = 4,9 MN
Dažnos Vengtinos Klaidos
- **Masė vs Svoris**: kg matuoja masę, N matuoja jėgą. Nesakykite '70 N asmuo'—sakykite 70 kg.
- **kgf ≠ kg**: 1 kgf yra jėga (9,81 N), 1 kg yra masė. Painiava sukelia 10× klaidas.
- **Vieta svarbi**: kgf/lbf numato Žemės gravitaciją. Mėnulyje 1 kg sveria 1,6 N, o ne 9,81 N.
- **Vektorinė sudėtis**: 5 N + 5 N gali būti 0 (priešingos), 7,1 (statmenos) arba 10 (ta pati kryptis).
- **Svaro painiava**: lb = masė, lbf = jėga. JAV 'svaras' dažniausiai reiškia lbf priklausomai nuo konteksto.
- **Dinos retumas**: Dina yra pasenusi; naudokite miliniutonus. 10⁵ dinų = 1 N, ne intuityvu.
Įdomūs Faktai apie Jėgą
Stipriausias Raumo
Žandikaulio kramtomasis raumuo sukuria 400 N (900 lbf) kandimo jėgą. Krokodilas: 17 kN. Išnykęs Megalodonas: 180 kN – pakankamai, kad sutraiškytų automobilį.
Blusos Galia
Blusa šoka su 0,0002 N jėga, bet pagreitėja 100 g. Jos kojos yra spyruoklės, kaupiančios energiją, ir išlaisvina ją greičiau, nei raumuo gali susitraukti.
Juodosios Skylės Potvynių Jėgos
Prie juodosios skylės potvynių jėga jus ištempia: jūsų kojos jaučia 10⁹ N daugiau nei galva. Tai vadinama 'spagetifikacija'. Būtumėte suplėšyti atomas po atomo.
Žemės Gravitacijos Trauka
Mėnulio gravitacija sukelia potvynius su 10¹⁶ N jėga Žemės vandenynuose. Žemė traukia Mėnulį atgal su 2×10²⁰ N – bet Mėnulis vis tiek tolsta 3,8 cm/metus.
Voro Šilko Stiprumas
Voro šilkas trūksta esant ~1 GPa įtempiui. 1 mm² skerspjūvio siūlas išlaikytų 100 kg (980 N) – stipresnis už plieną pagal svorį.
Atominės Jėgos Mikroskopas
AJM jaučia jėgas iki 0,1 nanoniutono (10⁻¹⁰ N). Gali aptikti vieno atomo nelygumus. Lyg jausti smėlio grūdelį iš orbitos.
Istorinė Evoliucija
1687
Niutonas publikuoja 'Principia Mathematica', apibrėždamas jėgą F = ma ir tris judėjimo dėsnius.
1745
Pierre Bouguer matuoja gravitacinę jėgą kalnuose, pastebi Žemės gravitacinio lauko variacijas.
1798
Cavendish sveria Žemę naudodamas torsines svarstykles, matuodamas gravitacinę jėgą tarp masių.
1873
Britų Asociacija apibrėžia 'diną' (CGS vienetą) kaip 1 g·cm/s². Vėliau niutonas buvo priimtas SI.
1948
CGPM apibrėžia niutoną kaip kg·m/s² SI sistemai. Pakeičia senus kgf ir techninius vienetus.
1960
SI oficialiai priimtas visame pasaulyje. Niutonas tampa universaliu jėgos vienetu mokslui ir inžinerijai.
1986
Išrastas atominės jėgos mikroskopas, aptinkantis pikonutonų jėgas. Revoliucionuoja nanotechnologijas.
2019
SI peribrėžimas: niutonas dabar išvedamas iš Plancko konstantos. Iš esmės tikslus, be fizinio artefakto.
Profesionalų Patarimai
- **Greitas kgf įvertinimas**: padalinkite niutonus iš 10. 500 N ≈ 50 kgf (tiksliai: 51).
- **Svoris iš masės**: padauginkite kg iš 10 greitam N įvertinimui. 70 kg ≈ 700 N.
- **Lbf atminties triukas**: 1 lbf yra maždaug pusė 2 litrų limonado butelio svorio (4,45 N).
- **Patikrinkite vienetus**: jei rezultatas atrodo 10× neteisingas, tikriausiai sumaišėte masę (kg) su jėga (kgf).
- **Kryptis svarbi**: jėgos yra vektoriai. Visada nurodykite dydį + kryptį realiose problemose.
- **Spyruoklinės svarstyklės matuoja jėgą**: vonios svarstyklės rodo kgf arba lbf (jėgą), bet pagal susitarimą žymimos kaip kg/lb (masė).
- **Automatinis mokslinis žymėjimas**: vertės < 1 µN arba > 1 GN rodomos moksliniu žymėjimu dėl skaitomumo.
Išsami Vienetų Nuoroda
SI / Metrinė (absoliuti)
| Vieneto Pavadinimas | Simbolis | Niutono Ekvivalentas | Naudojimo Pastabos |
|---|---|---|---|
| niutonas | N | 1 N (base) | SI bazinis jėgos vienetas; 1 N = 1 kg·m/s² (tiksliai). |
| kiloniutonas | kN | 1.000 kN | Inžinerinis standartas; automobilių varikliai, konstrukcinės apkrovos. |
| meganiutonas | MN | 1.00e+0 N | Didelės jėgos; raketos, tiltai, pramoniniai presai. |
| giganiutonas | GN | 1.00e+3 N | Tektoninės jėgos, asteroidų smūgiai, teorinis. |
| miliniutonas | mN | 1.0000 mN | Tiksliosios priemonės; mažos spyruoklių jėgos. |
| mikroniutonas | µN | 1.000e-6 N | Mikroskalė; atominės jėgos mikroskopija, MEMS. |
| nanoniutonas | nN | 1.000e-9 N | Nanoskalė; molekulinės jėgos, pavieniai atomai. |
Gravitaciniai Vienetai
| Vieneto Pavadinimas | Simbolis | Niutono Ekvivalentas | Naudojimo Pastabos |
|---|---|---|---|
| kilogramo jėga | kgf | 9.8066 N | 1 kgf = 1 kg svoris Žemėje (9,80665 N tiksliai). |
| gramo jėga | gf | 9.8066 mN | Mažos gravitacinės jėgos; tiksliosios svarstyklės. |
| tonos jėga (metrinė) | tf | 9.807 kN | Metrinės tonos svoris; 1000 kgf = 9,81 kN. |
| miligramo jėga | mgf | 9.807e-6 N | Mažytės gravitacinės jėgos; retai naudojamas. |
| svaro jėga | lbf | 4.4482 N | JAV/JK standartas; 1 lbf = 4,4482216 N (tiksliai). |
| uncijos jėga | ozf | 278.0139 mN | 1/16 lbf; mažos jėgos, spyruoklės. |
| tonos jėga (trumpoji, JAV) | tonf | 8.896 kN | JAV tona (2000 lbf); sunki įranga. |
| tonos jėga (ilgoji, JK) | LT | 9.964 kN | JK tona (2240 lbf); laivyba. |
| kip (kilosvaro jėga) | kip | 4.448 kN | 1000 lbf; statybos inžinerija, tiltų projektavimas. |
Imperiniai Absoliutūs Vienetai
| Vieneto Pavadinimas | Simbolis | Niutono Ekvivalentas | Naudojimo Pastabos |
|---|---|---|---|
| paundalis | pdl | 138.2550 mN | 1 lb·ft/s²; absoliutus imperinis, pasenęs. |
| uncija (paundalis) | oz pdl | 8.6409 mN | 1/16 paundalio; tik teorinis. |
CGS Sistema
| Vieneto Pavadinimas | Simbolis | Niutono Ekvivalentas | Naudojimo Pastabos |
|---|---|---|---|
| dina | dyn | 1.000e-5 N | 1 g·cm/s² = 10⁻⁵ N; CGS sistema, paveldas. |
| kilodina | kdyn | 10.0000 mN | 1000 dinų = 0,01 N; retai naudojamas. |
| megadina | Mdyn | 10.0000 N | 10⁶ dinų = 10 N; pasenęs terminas. |
Specializuoti ir Moksliniai
| Vieneto Pavadinimas | Simbolis | Niutono Ekvivalentas | Naudojimo Pastabos |
|---|---|---|---|
| stenas (MKS vienetas) | sn | 1.000 kN | MKS vienetas = 1000 N; istorinis. |
| grave jėga (kilogramo jėga) | Gf | 9.8066 N | Alternatyvus kilogramo-jėgos pavadinimas. |
| pondas (gramo jėga) | p | 9.8066 mN | Gramas-jėga; vokiečių/Rytų Europos naudojimas. |
| kilopondas (kilogramo jėga) | kp | 9.8066 N | Kilogramas-jėga; Europos techninis vienetas. |
| krinalas (deciniutonas) | crinal | 100.0000 mN | Deciniutonas (0,1 N); neaiškus. |
| grave (kilogramas ankstyvojoje metrinėje sistemoje) | grave | 9.8066 N | Ankstyvoji metrinė sistema; kilogramas-jėga. |
| atominis jėgos vienetas | a.u. | 8.239e-8 N | Hartree jėga; atominė fizika (8,2×10⁻⁸ N). |
| Planko jėga | FP | 1.21e+38 N | Kvantinės gravitacijos skalė; 1,2×10⁴⁴ N (teorinis). |
Dažnai Užduodami Klausimai
Kuo skiriasi masė ir svoris?
Masė (kg) yra materijos kiekis; svoris (N) yra gravitacinė jėga, veikianti tą masę. Masė išlieka pastovi; svoris kinta priklausomai nuo gravitacijos. Mėnulyje jūs sveriate 1/6, bet jūsų masė ta pati.
Kodėl naudoti niutonus, o ne kgf ar lbf?
Niutonas yra absoliutus—nepriklauso nuo gravitacijos. kgf/lbf numato Žemės gravitaciją (9,81 m/s²). Mėnulyje ar Marse kgf/lbf būtų neteisingi. Niutonas veikia visur visatoje.
Kiek jėgos gali išvystyti žmogus?
Vidutinis žmogus: 400 N stūmimas, 500 N traukimas (trumpą laiką). Treniruoti sportininkai: 1000+ N. Pasaulinės klasės mirties trauka: ~5000 N (~500 kg × 9,81). Kandimo jėga: vidutiniškai 400 N, maksimaliai 900 N.
Kas yra kipas ir kodėl jis naudojamas?
Kipas = 1000 lbf (kilo-svaras-jėga). JAV statybos inžinieriai naudoja kipus tiltų/pastatų apkrovoms, kad nereikėtų rašyti didelių skaičių. 50 kipų = 50 000 lbf = 222 kN.
Ar dina vis dar naudojama?
Retai. Dina (CGS vienetas) pasitaiko senuose vadovėliuose. Moderni mokslas naudoja miliniutonus (mN). 1 mN = 100 dinų. CGS sistema yra pasenusi, išskyrus kai kurias specializuotas sritis.
Kaip konvertuoti svorį į jėgą?
Svoris YRA jėga. Formulė: F = mg. Pavyzdys: 70 kg asmuo → 70 × 9,81 = 686 N Žemėje. Mėnulyje: 70 × 1,62 = 113 N. Masė (70 kg) nekinta.
Visas Įrankių Katalogas
Visi 71 įrankiai, pasiekiami UNITS