כוח (פיזיקה)

הכוחות הפועלים על מנסרה במישור ובשיפוע

בפיזיקה, כוח הוא אינטראקציה שיכולה לגרום לשינוי בתנועה של גוף. הכוח הוא גודל פיזיקלי וקטורי, מסומן באות הלטינית ${\vec {F}}$ , ויחידת המידה שלו במערכת היחידות הבינלאומית היא ניוטון.

כוח הפועל על גוף יכול לגרום לשינוי במצבו של הגוף, או להתנגד לכוח אחר הפועל על אותו גוף. הדינמיקה היא התורה העוסקת בתנועתו של גוף בהשפעת כוחות, ובבסיסה שלושת חוקי התנועה של ניוטון, המתארים את היחס בין כוח לתנועה:

החוק הראשון של ניוטון, עקרון ההתמדה, קובע כי קיימת מערכת אינרציאלית, שבה בהעדר כוח (או כשהכוח השקול הפועל עליו שווה לאפס), גוף לא יואץ, כלומר, יתמיד במנוחתו או במהירות קבועה לאורך קו ישר. חוקי ניוטון תקפים רק במערכת יחוס אינרציאלית. החוק איננו מקרה פרטי של החוק השני.
החוק השני של ניוטון קובע כי הכוח הוא נגזרת התנע לפי הזמן ${\vec {F}}={\frac {d{\vec {p}}}{dt}}$ .

בניסוח נוסף, תאוצתו של גוף עומדת ביחס ישר לכוח הפועל עליו וביחס הפוך למסתו

{\vec {F}}=m{\vec {a}}=m{\frac {d^{2}{\vec {r}}}{dt^{2}}}

. נוסחה זו נכונה בתנאי שהמסה אינה משתנה.

החוק השלישי של ניוטון קובע כי כנגד כל כוח פועל כוח נוסף השווה בגודלו והפוך בכיוונו.
אם הכוח משמר ניתן לתארו כגרדיאנט של פונקציית אנרגיה פוטנציאלית: $\ {\vec {F}}=-{\vec {\nabla }}U({\vec {r}})$

מכניקה קלאסית מבוססת על מושג הכוח, אך פילוסופים כדוגמת ג'ורג' ברקלי ודייוויד יום התנגדו למכניקה של ניוטון וטענו שהכוח שהנהיג ניוטון הוא לא יותר מאשר פיקציה מתמטית. הם טענו שלא ניתן למדוד כוחות, ובוודאי שלא באופן ישיר. למשל: מדידת כוח על־ידי התארכות קפיץ – בפועל המדידה היא עד כמה התארך הקפיץ, והטענה שההתארכות נבעה מפעולה של כוח עליו היא כבר פרשנות של הצופה. עוד הם טענו שהחוק השני של ניוטון הוא בעצם טאוטולוגיה מאחר שעל־ידי תאוצה מוגדרת פעולה של כוח. ניוטון היה מודע לבעייתיות של מושג הכוח ומערכת ייחוס מוחלטת וניסה להצדיק את השימוש במושג זה בתחילת ספרו "עקרונות מתמטיים של פילוסופיית הטבע". עוד בעייתיות שהיתה אז במושג הכוח היא הבעיה של כוחות מדומים (עקרון ד'אלמבר) וכוח האינרציה (התמד) שאותו פירש ניוטון ככוח פנימי של הגוף.

למרות הבעייתיות הפילוסופית, תורת המכניקה של ניוטון היתה מוצלחת ביותר באופן נסיוני ופעלה כראוי לכל צורך מעשי, ולכן התקבלה כנכונה במהירות רבה. רק בסוף המאה ה-19, בעקבות גילויים בתחום האלקטרומגנטיות והפיזיקה האטומית החלה להתערער נכונותה, ותורת היחסות של אלברט איינשטיין מציגה את המכניקה הניוטונית כמקרה פרטי של תנועה במהירויות נמוכות.

סוגי כוחות

בפיזיקה מוגדרים ארבעה כוחות יסודיים של הטבע, הנקראים כוחות היסוד או אינטראקציות יסודיות. ארבעת כוחות היסוד הם:

כוח הכבידה – כל גוף בעל מסה מושך אליו גופים אחרים בעלי מסה.
הכוח האלקטרומגנטי – המגדיר דחייה ומשיכה בין חלקיקים נושאי מטען חשמלי בתנועה.
- הכוח החשמלי – המגדיר דחייה ומשיכה בין חלקיקים נושאי מטען חשמלי אך אינם נעים.
הכוח החזק – המלכד יחדיו את החלקיקים המצויים בגרעין האטום ואחראי גם ללכידות הקווארקים.
הכוח החלש – האחראי על התפרקויות אלפא, בטא וגמא, שהן סוג של התפרקויות רדיואקטיביות.