Voima (fysiikka)

Voima (lat. fortis, tunnus F) on fysiikassa vuorovaikutuksen voimakkuutta kuvaava vektorisuure, jolla on sekä suuruus että suunta. Voiman yksikkö SI-järjestelmässä on newton, N. SI-perusyksiköiden avulla ilmaistuna voiman yksikkö on ${\displaystyle {\rm {\ N}}=\ {\frac {{\rm {kg}}\cdot {\rm {m}}}{{\rm {s}}^{2}}}.}$

Voima kuvaa kykyä muuttaa kappaleen liiketilaa. Koska sillä on sekä suunta että suuruus, sitä voidaan kuvata vektoreilla (nuolet kuvassa).

Kappaleeseen kohdistuva kokonaisvoima muuttaa kappaleen liiketilaa. Dynamiikan peruslain mukaan vakiovoima ${\displaystyle {\bar {F}}}$ antaa kappaleelle, jonka massa on ${\displaystyle m}$, kiihtyvyyden ${\displaystyle {\bar {a}}}$ siten, että ${\displaystyle {\bar {F}}=m{\bar {a}}}$.

Kaikki voimat johtuvat kappaleiden välisistä vuorovaikutuksista. Newtonin kolmannen lain mukaan kahden kappaleen vuorovaikuttaessa keskenään molempiin kohdistuu yhtä suuri, mutta vastakkaissuuntainen voima.^[1]

Makroskooppisiin kappaleisiin vaikuttavat voimat jaetaan tavanomaisesti kosketusvoimiin ja etäisvoimiin. Kosketusvoimat kuten kitka, väliaineen vastus ja tukivoimat ilmenevät kappaleiden koskettaessa toisiaan.^[2] Sen sijaan etäisvoimat kuten gravitaatio sekä sähköiset ja magneettiset voimat vaikuttavat välimatkan päästä, ja niiden välittäjinä toimivat kentät. Atomifysiikka on kuitenkin osoittanut, että myös kaikki kosketusvoimat aiheutuvat aineen rakenneosien välisistä sähkömagneettisista vuorovaikutuksista.^[3] Alkeishiukkasten välillä vaikuttaa neljä perusvuorovaikutusta, jotka ovat:

• sähkömagneettinen vuorovaikutus, jonka aiheuttama voima synnyttää fysikaaliset kappaleet ja valon,
• heikko vuorovaikutus, joka aiheuttaa radioaktiivisuuden,
• vahva vuorovaikutus, joka pitää atomiytimet koossa,
• gravitaatio, joka synnyttää painovoiman.

Esimerkiksi Maan läheisyydessä Maan vetovoima vetää kaikkia kappaleita puoleensa. Toisaalta myös kaikki kappaleet vetävät Maata puoleensa yhtä suurella mutta vastakkaissuuntaisella voimalla, mutta Maan suuren massan vuoksi niiden aikaansaama liiketilan muutos on niin vähäinen, ettei sitä voida havaita.

Maan pinnalla oleviin kappaleisiin vaikuttaa Maan vetovoiman lisäksi myös pinnan tukivoima. Kappaleen pysyessä paikoillaan maan pinnalla ovat painovoima ja maan pinnan tukivoima yhtä suuret mutta vastakkaissuuntaiset, jolloin ne kumoavat toistensa vaikutuksen.

Voimat voidaan myös jakaa konservatiivisiin ja häviöllisiin voimiin. Esimerkiksi painovoima on konservatiivinen, liukukitka ja väliaineen vastus häviöllisiä voimia. Jos kaikki jossakin systeemissä vaikuttavat voimat ovat konservatiivisia, systeemin mekaaninen energia säilyy, häviöllisten voimien kuten kitkan vaikutuksesta osa siitä muuttuu lämmöksi.^[4]

Voimaa voidaan mitata esimerkiksi jousivaa'alla.

Voimasta saatavia johdannaissuureita ovat impulssi ${\displaystyle I=\int _{t_{1}}^{t_{2}}Fdt}$, joka kertoo liikemäärän muutoksen aikavälillä ${\displaystyle t_{1}\ldots t_{2}}$ ja työ ${\displaystyle W=\int {\bar {F}}\cdot d{\bar {x}}}$.

Pyörivässä liikkeessä voimaa vastaa momentti.

Voimien yhdistäminen ja resultantti

Jos kappaleeseen vaikuttaa useita voimia ja ne vaikuttavat kappaleen samaan pisteeseen, niiden yhteinen vaikutus saadaan lasketuksi käsittelmällä voimia vektoreina ja laskemalla vektorit yhteen. Jos voimat vaikuttavat kappaleen eri kohtiin, niiden yhteinen vaikutus kappaleen etenemisliikkeeseen voidaan laskea vastaavalla tavalla, mutta laskettaessa momenttia, jolla ne vaikuttavat kappaleen pyörimisliikkeeseen, on niiden vaikutuspisteet otettava huomioon. Tietyin edellytyksin voimille voidaan kuitenkin määrittää resultanttivoima, joka yksinään vaikuttaisi samoin kuin eri voimat yhdessä vaikuttavat.

Katso myös

• Harmoninen värähtelijä
• Vapaakappalekuva
• Venymäliuska-anturi

Lähteet

1. Kaarle ja Riitta Kurki-Suonio: Vuorovaikuttavat kappaleet – mekaniikan perusteet, s. 88. Limes r.y., 1995. Virhe: Virheellinen ISBN-tunniste
2. Kurki-Suonio, s. 103, 110)
3. Kurki-Suonio, s. 110
4. Kurki-Suonio, s. 165–168

Kirjallisuutta

• Karttunen, Hannu: Fysiikka. (Tiedettä kaikille. Ursan julkaisuja 89) Helsingissä: Tähtitieteellinen yhdistys Ursa, 2006. ISBN 952-5329-32-1

Aiheesta muualla

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Voima (fysiikka) Wikimedia Commonsissa